Sistem de monitorizare online a consumatorilor electrici [310085]

PROIECT DE DISERTAȚIE

Coordonator știintific:

Conf. Univ. Dr. Ing. Florin GROFU

Absolvent: [anonimizat]-Mădălin VITEJANU

UNIVERSITATEA “CONSTANTIN BRÂNCUȘI” [anonimizat] A PROCESELOR INDUSTRIALE

Sistem de monitorizare online a consumatorilor electrici

Coordonator științific:

Conf. Univ. Dr. Ing. Florin GROFU

Absolvent: [anonimizat]-Mădălin VITEJANU

Capitolul I: Introducere

Motivația alegerii temei

Tema de față se intitulează “Sistem de monitorizare online a consumatorilor electrici” [anonimizat].

Lucrarea de față se bazează pe dorința de a îmbunătăți procesul de măsurare a parametrilor electrici ([anonimizat], [anonimizat].), [anonimizat], cu ajutorul unui server web. Valorile pot fi urmărite însă și în “timp real”, [anonimizat].

Măsurarea parametrilor mai multor consumatori electrici alimentați la o [anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat] o [anonimizat].

În prezent se dorește să se obțină cât mai multe facilități de la aparatele de măsurare: [anonimizat], flexibilitate, posibilitatea de a le adapta ușor la diverse activități de laborator sau procese industriale.

[anonimizat], aparatele clasice devin nesatisfăcătoare pentru utilizatorii specializați.

[anonimizat] ([anonimizat], [anonimizat]), [anonimizat] o [anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat] v3 LoLin (Wi-fi), ce prezintă un microchip ESP8266 – [anonimizat] a [anonimizat] a [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat] a altor parametrii electrici. [anonimizat]-phase DDS238-2 ZN/S.

[anonimizat], la un interval optim de timp.

Măsurarea. [anonimizat]. Știința care stă la baza măsurării se numește metrologie. [1]

Măsurarea reprezintă un proces de determinare a [anonimizat] realizează atribuirea de numere proprietăților obiectelor și fenomenelor din lumea reală, astfel încât să rezulte reprezentări simbolice cu utilitate practică. [2]

Se măsoară proprietăți ale obiectelor și fenomenelor, nu ele în sine.

În fizică, proprietățile obiectelor și fenomenelor poartă denumirea de mărimi fizice, iar numerele asociate acestora, drept rezultat al măsurării diverselor manifestări, se numesc valori sau măsuri.

Măsurarea constă în compararea unei mărimi fizice necunoscute cu o alta de aceeași natură, considerată unitate sau etalon și exprimarea măsurii cu ajutorul raportului stabilit între acestea.

A măsura înseamnă a determina cu instrumente sau cu aparate de măsură, etaloane sau sub alte forme, valoarea unei mărimi (lungime, masă, tensiune electrică, curent electric, etc).

În metrologie, un etalon este o măsură, aparat de măsurat, material de referință, sau sistem de măsurare destinat a defini, realiza, conserva sau reproduce o unitate sau una sau mai multe valori ale unei măsuri pentru a servi ca referință. [3]

În funcție de domeniul de utilizare și nevoile apărute în cadrul procesului de măsurare s-a stabilit o ierarhie a criteriilor și metodelor de măsurare astfel:

Criterii de clasificare ale mărimilor de măsurat:

A. După aspectul dimensional-spațial:

a) mărimi scalare

b) mărimi vectoriale

c) mărimi tensoriale

B. După tipul relațiilor empirice care pot fi definite pe mulțimea obiectelor sau fenomenelor cărora le sunt asociate distingem:

a) mărimi reperabile

b) mărimi extensive

c) mărimi intensive

C. După aspectul energetic:

a) mărimi active

b) mărimi pasive

Clasificarea metodelor de măsurare:

A. După modalitatea de realizare a comparației cu unitatea de măsură:

a) Măsurarea directă – constă în compararea nemijlocită a mărimii de măsurat cu unitatea de măsură sau prin evaluarea directă a efectului produs de către mărimea respectivă.

b) Măsurarea indirectă determinată de aplicarea unei formule, în care se introduc valorile altor mărimi obținute prin intermediul măsurării directe.

B. În funcție de modul de variație al măsurandului:

a) măsurări statice

b) măsurări dinamice

c) măsurări statistice

C. După modul de obținere și prezentare a rezultatului măsurării

a) măsurări analogice

b) măsurări numerice (digitale)

D. După destinația măsurării și performanțele obținute

a) măsurări de laborator

b) măsurări industriale

Metodele de măsurare cel mai frecvent utilizate sunt:

1. Metodele de măsurare bazate pe comparația simultană:

comparația 1:1 (metoda diferențială, metoda de zero);

comparația 1:n

Fig 1.1 Metode de măsurare bazate pe comparația simultană

2. Metodele bazate pe comparația succesivă

Etape:

etapa de calibrare sau etalonare

măsurarea propriu-zisă

Fig.1.2 a) etapa de calibrare Fig. 1.2 b) etapa de măsurare propriu-zisă

Fig 1.2 Metode bazate pe comparația succesivă

În ceea ce privește calitatea măsurării și veridicitatea acesteia există diferite grade de precizie, însă, o măsurare ideală nu poate fi pusă în discuție.

Rezultatele măsurării vor fi diferite de valoarea reală sau adevărată a măsurandului, oricât de performante sau perfecționate vor fi aparatele cu care se vor realiza măsurătorile.

Scopul fundamental al oricărei măsurări – determinarea și exprimarea sub formă numerică a valorii mărimii de măsurat – se efectuează cu o anumită eroare (incertitudine).

Abaterea rezultatului măsurării fată de valoarea reală (adevărată) a mărimii de măsurat constituie eroarea de măsurare :

Unde:

– rezultatul măsurării numărului i – valoarea reală a măsurandului

În scopul determinării erorii de măsurare s-a introdus noțiunea de valoare convențională V a măsurandului, aceasta înlocuind valoarea adevărată X. Valoarea convențională se definește ca fiind valoarea determinată prin acele metode care urmăresc ca aceasta să difere într-o foarte mică măsură în raport cu valoarea reală. [4]

Eroarea de măsurare poate fi exprimată și în mod procentual, astfel:

Capitolul II : Curentul electric și tensiunea electrică

Curеntul electric reprezintă deplasarea dirijată a sarcinilor electrice. Există două mărimi fizice care-l caracterizează:

intensitatea curentului electric, numită adesea, simplu, curent electric, ce caracterizează curentul din punct de vedere global, făcând referință la cantitatea de sarcină electrică care străbate secțiunea prin care trece în unitatea de timp. Unitatea de măsură ce caracterizează curentul electric este reprezentată de amper (A).

densitatea curentului, este o mărime vectorială asociată fiecărui punct, intensitatea curentului electric fiind calculată ca integrală pe întreaga secțiune a conductorului din densitatea de curent. Se măsoară în amperi pe metru pătrat (A/m2). [5]

Fig. 2.1 Fulgerul reprezintă o formă de curent electric

Sarcinile electrice în mișcare pot fi purtate între două puncte date, de electroni, ioni sau o combinație a acestora. Curentul electric se produce datorită existenței unei tensiuni electrice între două puncte (între care se deplasează sarcinile) ale unui circuit electric. Tensiunea în cauză poate fi debitată de o sursă de tensiune electrică existentă în circuitul electric folosit.

De asemenea, curentul electric mai poate exista într-un circuit, dacă acesta este închis și este influențat de o tensiune electromotoare (t.e.m.) variabilă, separată galvanic de acesta. Fenomenul este denumit inducție electrică.

Dacă se notează sarcina electrică prin Q timpul cu t și intensitatea curentului electric cu , aceste mărimi sunt legate prin relația:

Folosind mărimi instantanee, putem rescrie formula pentru mărimi variabile în timp, astfel:

Densitatea de curent este definită ca fiind vectorul a cărui mărime este valoarea curentului electric pe suprafața secțiunii transversale. În unități SI, densitatea de curent se măsoară în amperi pe metru pătrat (A/m²).

Unde:

este curentul în conductor, este densitatea de curent și este diferențială a vectorului de secțiune transversală. [5]

2.1 Tipuri și utilizări

Curentul electric este diferit în funcție de echipamentele în cadrul cărora se utilizează, astfel există două tipuri de curent electric folosite preponderent : alternativ, continuu (Fig. 2.2) și pulsatoriu, acesta din urmă având o componentă continuă și una alternativă. Dacă prin același conductor vom face, ca de la diferiți generatori independenți să treacă concomitent doi curenți, unul continuu și altul alternativ, în acest conductor vom obține un curent pulsatoriu (Fig. 2.3). [6]

Fig 2.2 Schema electrică de principiu a unui circuit de curent continuu și alternativ

Fig. 2.3 Obținerea unui curent pulsatoriu prin adunarea valorilor curenților continuu și alternativ

În momentul în care mișcarea sarcinilor electrice are loc doar într-un singur sens, atunci este vorba despre un curent continuu (generat de exemplu de bateria galvanică sau de dinam).

Cele mai multe echipamente electronice se alimentează tocmai cu curent continuu. Acesta se obține foarte ușor cu ajutorul alimentatoarelor și redresoarelor – direct de la priza electrică de curent alternativ.

Atât echipamentele care sunt surse de curent continuu (Fig. 2.4), cât și echipamentele care sunt alimentate cu un astfel de curent sunt marcate cu simbolul DC.

Fig. 2.4 Inscripția simbolică a curentului continuu

În cazul echipamentelor alimentate cu curent continuu, este foarte importantă conectarea corectă a polilor negativi și pozitivi, în caz contrar, echipamentul poate fi chiar ireparabil avariat.

Cablurile prin care trece curentul continuu, de obicei, prezintă un marcaj specific – culoarea roșie pentru potențialul pozitiv și neagră pentru cel negativ. Dacă ambele cabluri sunt de culoare neagră, linia întreruptă este considerată cea cu potențial scăzut (negativ). Deseori în alimentatoare se folosește o mufă 2,1 / 5,5 (Fig. 2.5), a cărei parte exterioară este reprezentată de potențialul negativ, partea interioară fiind reprezentată de potențialul pozitiv.

Fig 2.5 Polarizarea standard în cadrul alimentatoarelor cu mufă 2,1 / 5,5 mm

Adaptoarele folosite pentru alimentare sunt utilizate de obicei pe o scară largă datorită nevoii majore de obținere a curentului continuu. Acestea sunt utilizate în cadrul fiecărui echipament prevăzut cu circuite integrate. [7]

Deși multe echipamente casnice sunt alimentate de la prize electrice – deci, utilizându-se curent alternativ, în final, acesta este transformat cu ajutorul redresoarelor în curent continuu.

În cazul în care, sensul de deplasare al electronilor este alternant în timp, curentul poartă numele de curent alternativ (alternatorul – dispozitiv cu ajutorul căruia se care generează un curent alternativ). Curentul alternativ se folosește în industrie de obicei sub formă sinusoidală, adică intensitatea lui variază ca o funcție sinusoidală (în timp).

Dacă se redresează curentul alternativ se obține un curent continuu cu o intensitate variabilă, care mai poate fi numit pulsatoriu (sau ondulat). Redresarea poate fi realizată prin intermediul tuburilor electronice (diode sau duble diode) sau semiconductorilor (diode semiconductoare, punți semiconductoare redresoare).

Transformarea inversă, pentru a obține curent alternativ din curent continuu, se realizează prin intermediul unor dispozitive electronice (invertoare) și este folosită, de exemplu, pentru alimentarea de la elemente galvanice sau acumulatoare a unor consumatori ce necesită curent alternativ pentru funcționare (lămpi electrice pentru avarii, alimentarea unor aparate electrice de curent alternativ care funcționează cu curent de la acumulatorul de automobil).

De asemenea, din curent alternativ se poate obține curent continuu și cu ajutorul grupurilor de comutare (un motor electric de curent alternativ rotește un dinam, pentru a produce curent continuu care la randul sau alimentează, de exemplu, un aparat de sudură electric).

2.2 Consumatori uzuali, eficiența de consum

Un consumator electric (sarcină de curent) este o componentă electrică sau o porțiune a unui circuit ce are nevoie să consume energie electrică. Consumatorii electrici pot fi obiecte electrice cum ar fi: dispozitive, aparate, mașini electrice, utilaje electrice care transformă energia electrică în alte forme de energie, în timpul funcționării lor. Putem considera, în mod mai restrâns faptul că sunt considerați consumatori, numai aceia care necesită în funcționare curent electric în mod direct de la rețeaua electrică. În contextul aprovizionării cu energie electrică, companiile, firmele și casele private, sunt considerate, în raport cu furnizorii lor de energie electrică, consumatori electrici.

Un consumator electric este influențat de surse de energie care se opun funcționării acestuia, precum baterii electrice sau generatoare care produc energie. În circuitele electrice de putere exemple de sarcini de curent sunt aparatele și corpurile de iluminat. Termenul de consum de energie se poate referi, de asemenea la puterea consumată de un circuit care asigură transportul energiei.

Acest termen se folosește frecvent în electronică pentru un dispozitiv ce se conectează la un semnal sursă, indiferent dacă acesta realizează sau nu un consum de energie electrică. În cazul în care, un circuit electric are un port de ieșire, adică o pereche de terminale, care prezintă un semnal electric extern, circuitul conectat la aceste terminale (sau impedanța sa de intrare) este o sarcină (încărcătură/consumator).

Sarcina afectează performanța circuitelor în ceea ce privește tensiunea lor de ieșire sau curentul, precum întâlnim în cazul senzorilor, surselor de tensiune și amplificatoarelor.

Rețeaua electrică de curent alternativ cu prizele de alimentare electrice oferă în acest sens un exemplu simplu: ele furnizează energie la o tensiune constantă, cu aparatele electrice conectate la circuit în mod colectiv, formând, deci, împreună sarcina/încărcătura. Atunci când un aparat de mare putere pornește, aceasta poate provoca reducerea drastică a tensiunii de alimentare generale pentru simplul motiv că acesta micșorează impedanța comună totală prin creșterea de sarcină semnificativă. [8]

Datorită dezvoltărilor tehnologice din ultimele decenii, a dezvoltării și a utilizării de circuite cu dispozitive semiconductoare pentru acționarea și alimentarea electrică a consumatorilor, ponderea consumatorilor industriali și casnici neliniari care funcționează în regim deformant este din ce în ce mai mare.

Numeroase studii recente scot în evidență caracterul neliniar și valoarea ridicată a componentei reactive la: corpurile de iluminat moderne (tuburi fluorescente, LED), sursele de alimentare a calculatoarelor, convertoarele statice de frecvență aferente diverselor acționări. [9]

Eficiența consumului de energie electrică se datorează atât distribuitorilor de energie, cât și consumatorilor.

Operatorul de Distribuție (OD), ca parte implicată în domeniul eficienței energetice, are ca îndatoriri principale să:

asigure un sistem de distribuție sigur, fiabil și eficient;

asigure disponibilitatea tuturor serviciilor de rețea asociate;

definească căile de acces și participare la piața de echilibrare și alte servicii de sistem.

Drept urmare operatorii de rețea vor fi nevoiți să-și asume obligația de a facilita în mod neutru piața de energie, care asigură și promovează o piață funcțională de energie electrică, la nivelul cerințelor de transparentă și fără distorsiuni, printr-o eficiență operațională și energetică adecvată.

Viitoarele provocări ale OD, vor fi cu prioritate implementate :

1. Contorizarea inteligentă;

2. Modernizarea infrastructurii de distribuție în concept de rețea inteligentă;

3. Procese de piață eficiente:

automatizare;

acces rapid la datele din piață;

schimb rapid al furnizorului;

costuri scăzute de tranzacționare.

Datorită acestui fapt, se impune promovarea unor categorii de stimulente corespunzătoare pentru acest tip de investiții, în așa fel încât eficiența energetică și cea operațională să ducă la tarife competitive în piața de energie electrică.

Rețeaua inteligentă sau Smart grid presupune investiții foarte mari pentru OD. Cel puțin la început, beneficiile nu se vor alinia cu costurile pe care investitorul le va implementa. Astfel că Operatorul de Distribuție trebuie să fie stimulat să investească în tehnologie inovatoare și în rețeaua inteligentă.

Pentru acest motiv, OD trebuie să îi fie garantată recuperarea costurilor pentru investițiile lor. În acest context, autoritățile de reglementare facilitează un viitor mai inteligent – acestea trebuie să împuternicească OD pentru a ocupa un rol activ în dezvoltarea de soluții de rețea inteligentă.

Contoarele inteligente – Smart meters trebuie să asigure o comunicație în ambele direcții, adică între utilizator/consumator și furnizorul de servicii/operator de rețea și promovează servicii ce facilitează eficiența energetică (Directiva 2009/72/CE).

Pe de o parte, se oferă clienților informații precise și în timp util cu privire la consumul de energie și de producție, ceea ce le permite să ia măsuri pentru a deveni mai eficienți din punct de vedere energetic. Pe de altă parte, se oferă OD date exacte cu privire la modelele de consum, permițând în acest fel gestionarea și planificarea precisă și eficientă în investițiile în rețea.

În cele mai multe cazuri, sistemele de contorizare inteligente vor fi instalate, deținute și operate de către Operatorul de Distribuție ​​.

Acesta ​​va asigura, în conformitate cu legile în vigoare, în domeniul smart metering și smart grid, o dezvoltare consistentă în domeniul comunicațiilor și tehnologiei informațiilor într-un mod cât mai rentabil.

Aplicarea unui management eficient de rețea, asigurând o implementare armonizată și coordonată a operării infrastructurii din gestiunea operatorilor de distribuție, eliminând costurilor de tranzacție. [10]

2.3 Costurile producerii curentului electric. Impactul asupra mediului

Consumatorii casnici sunt nevoiți să plătească triplu față de prețul pe care o are energia electrică produsă în centrale. În România, rețeaua de distribuție a fost vândută în cea mai mare parte.

Statul român a acceptat ca toate costurile de întreținere a rețelelor de distribuție sa fie plătite de către români prin intermediul facturilor.

Datorită vechimii sistemelor și lipsei de investiții în sistemele de transmitere a energiei se produc pierderi anuale masive, de aproximativ 4 miliarde de euro.

Dacă după ce este generată de către hidrocentrale, energia electrică are un preț de 120 lei/MW, aceasta urmează sa fie plătită de către populație la un preț de aproximativ 400 lei/MW.

De vină pentru acest lucru sunt tarifele puse de transportatori, furnizori, distribuitori, TVA-ul și accizele încasate de stat, pe lângă aceste tarife adăugându-se și alte taxe precum: taxa de cogenerare, certificatele verzi, taxa pe stâlp, diferite tarife percepute între companiile statului.

Cea mai mare parte din taxe este plătită operatorilor de distribuție. [11]

Producția de energie electrică a României, în anul 2016, a fost realizată în proporție de 42,38% din surse regenerabile, iar restul de 57,62% din surse convenționale, potrivit datelor prezentate în raportul Autorității Naționale de Reglementare în domeniul Energie (A.N.R.E.) privind rezultatele monitorizării pieței de energie electrică.

Fig 2.6 Raportul Autorității Naționale de Reglementare în domeniul Energie (A.N.R.E.) privind rezultatele monitorizării pieței de energie electrică

În 2016, producția națională de electricitate a fost de 61,80 TWh, adică 61,8 miliarde kWh, în scădere cu 1,3% față de anul anterior. Emisiile medii de CO2, respectiv deșeurile radioactive rezultate din producerea energiei electrice au avut valoarea de 287,11 g/kWh, respectiv de 0,003 g/kWh.

Astfel, în 2016 emisiile de CO2 ale sectorului energetic național s-au ridicat la 17.743.398 de tone. [12]

În anul 2017, România a produs 63.64 miliarde de kilowați-oră de electricitate.

Tabelul 2.1 Emisiile de CO2 ale sectorului energetic în anul 2016

Producerea de energie electrică, nu este numai benefică, ci are și un impact destul de nociv asupra mediului înconjurător. Îmbucurător este însă faptul că, la nivel global se urmarește reducerea cantităților de emisii dăunătoare, prin îmbunătățirea continuă a proceselor de producere a energiei electrice. O astfel de conservare a mediului se realizează și cu ajutorul surselor ce produc energie în mod neconvențional, așa-numita „energie verde”.

În cazul producerii energiei prin intermediul centralelor termoelectrice, degajarea gazelor nocive în atmosferă, generate de arderea combustibililor fosili, produc ploi acide care distrug vegetația.

Centralele hidroelectrice, produc dereglări asupra florei, faunei, prin modificarea regimului precipitațiilor, fapt ce poate genera dispariția unor specii de animale și plante.

Când vine vorba despre centralele nuclearo-electrice, efectele asupra mediului pot fi distrugătoare în cazul unor accidente de exploatare.

Arderea cărbunilor produc oxizi de carbon, sulf și azot, particule de praf, contribuie în mod direct la formarea gazelor cu efect de seră implicate în încălzirea globală, produsul arderii – zgura are efecte complexe asupra atmosferei, solului și apelor subterane, elimină pulberi metalice.

În cazul petrolului și gazelor naturale, are loc poluarea marină și a coastelor litorale, modificarea pH-ului solului prin acumulări de hidrocarburi, iar în momentul arderii se produc elemente chimice precum S02 , NO2 , CO2 și gaze cu efect de seră, contribuind la formarea ploilor acide.

Transportul petrolului poate afecta marile și oceanele în urma spargerii conductelor sau altor tipuri de accidente în exploatare. Petrolul, având o densitate mai mică decât a apei, formează o peliculă ce împiedică difuziunea oxigenului în apă. Deversările de petrol în ecosistemele marine ajung la aproximativ 12 miliarde de tone.

Efectul pe care îl are câmpul electric asupra corpului uman nu sunt complet cunoscute, dar studiile efectuate au scos la iveală faptul că, persoanele ce lucrează în zone cu câmpuri electrice intense sunt predispuse la fenomene de oboseală, diminuarea atenției, slăbiciune în membrele superioare, senzații de amețeală, tulburări ale ritmului de somn ce duc până la insomnii.[13]

2.4 Instrumente de măsură și control a consumului. Exemple comerciale

Un contor de energie electrică, sau un contor electric este un dispozitiv care măsoară cantitatea de energie electrică consumată de o reședință, de fabrică sau de un dispozitiv alimentat electric.

Utilitățile electrice utilizează contoare electrice instalate la sediul clienților în scopuri de facturare. Acestea sunt de obicei calibrate în unități de facturare, cea mai obișnuită fiind cea de kilowați oră (kWh). Ele sunt de obicei citite o dată pe fiecare perioadă de facturare.

Când sunt necesare economii de energie în anumite perioade, unii contori pot măsura cererea, utilizarea maximă a puterii, într-un anumit interval. Măsurarea "Timp de zi" permite reducerea ratelor electrice în timpul unei zile, pentru înregistrarea utilizării în timpul perioadelor de vârf cu costuri ridicate și a perioadelor în afara orelor de vârf, cu costuri reduse. Deci, în unele zone au existat pierderi de sarcină în timpul perioadelor de vârf de încărcare.

Fig. 2.7 Exemple de contori de energie electrică

Au fost dezvoltate multe tipuri experimentale de contoare electrice. Thomas Edison a creat un contor electromecanic cu curent continuu (DC), cu un registru de lectură direct, dar în schimb dezvoltat pe un sistem electrochimic de măsurare. Era utilizată o celulă electrolitică la consumul total de curent. La intervale regulate, plăcile au fost scoase și cântărite, iar clientul a fost facturat. Contorul electrochimic a fost greu de citit și nu a fost acceptat de către clienți.

În 1885 Ferranti a oferit un contor cu mercur cu registru, asemănător cu contoarele de gaz. Consumatorul putea citi cu ușurință contorul și verifica consumul. Primul contor precis de electricitate a fost un DC-metru realizat de către Dr. Hermann Aron. Hugo Hirst de la British General Electric Company l-a introdus în Marea Britanie din 1888. Metronomul lui Aron a înregistrat încărcarea totală în timp și s-a răspândit destul de mult în randul consumatorilor.

Primul specimen de contor pentru curent alternativ (AC), a fost realizat de către ungurul Ottó Bláthy în toamna anului 1889, fiind comercializat la sfârșitul aceluiași an.

Elihu Thomson de la American General Electric Company a dezvoltat un contor de înregistrare watts (watt-metru), bazat pe un motor comutator fără fier. Acesta a depășit dezavantajele tipului electrochimic și putea funcționa fie pe curent alternativ, fie pe curent continuu.

În 1894 Oliver Shallenberger, angajat al Westinghouse Electric Corporation a aplicat principiul de inducție utilizat anterior doar pentru AC-metre cu măsurare de amperi-oră pentru a produce AC-metre care să citească watti-oră, precum contorii de energie moderni, folosind un disc de inducție a cărui rotație era proporțională cu puterea din circuit.

Contoarele Bláthy sunt similare cu contoarele Shallenberger și Thomson în măsura în care sunt contoare de curent cu două faze. Deși contorul bazat pe inducție nu poate fi utilizat decât pentru curent alternativ, are avantajul de a elimina comutatorul problematic și supărător al design-ului folosit de către Thomson.

Cea mai comună unitate de măsură pentru contorul de electricitate este kilowatt-oră [kWh], ceea ce este egal cu cantitatea de energie utilizată de o sarcină de un kilowatt pe o perioadă de o oră, sau 3.600.000 jouli.

Distorsiunea curentului electric prin sarcini este măsurată în mai multe moduri. Factorul de putere este raportul dintre puterea rezistivă (sau reală) și puterea aparentă măsurată în volt-amperi (VA). O sarcină capacitivă are un factor de putere de conducere, iar o sarcină inductivă are un factor de putere întârziat. O sarcină pur rezistivă (cum ar fi o lampă cu filament, sisteme de încălzire), prezintă un factor de putere aproximativ egal cu 1.

Contoarele de energie electrică funcționează prin măsurarea continuă a tensiunii instantanee (volți) și a curentului (amperi), pentru a furniza energia utilizată (în jouli, kilowați-oră etc.). Contoarele se încadrează în două categorii de bază, electromecanice și electronice.

Cel mai obișnuit tip de contor de energie electrică este contorul electromecanic (watt-metrul). Pe o sursă de alimentare monofazată, contorul de inducție electromecanic funcționează prin inducție electromagnetică prin numărarea rotațiilor unui disc metalic nemagnetic, dar electric, care este proporțional cu curentul care trece prin contor. Discul este acționat de două seturi de bobine de inducție și un motor cu două faze de inducție liniară. O bobină este conectată într-un mod care produce un flux magnetic proporțional cu tensiunea. Câmpul bobinei de tensiune este întârziat cu 90 de grade datorită naturii inductive a bobinei și calibrat utilizând o bobină de întârziere. Acest lucru produce curenți turbionari pe disc și efectul exercitat pe disc este proporțional cu produsul curentului, tensiunii și tensiunii instantanee (factorul de putere) între ele. Un magnet permanent acționează ca o frână cu curent turbionar, exercitând o forță contrară vitezei de rotație a discului. Echilibrul dintre aceste două forțe opuse are ca rezultat viteza de rotație la o viteză proporțională cu puterea sau rata de utilizare a energiei. Discul este susținut de un arbore cu melc care acționează registrul. Registrul este o serie de cadrane care înregistrează cantitatea de energie utilizată. Cifrele pot fi de tip ciclometru, în cazul afișajului de tip kilometraj, ușor de citit în cazul în care fiecare cifră este afișată. Indicatorii de cadran se rotesc în general în aceleași direcții cu discul, datorită mecanismului de angrenare.

Contoarele electronice afișează energia utilizată pe afișajul LCD sau LED. În afară de măsurarea energiei utilizate,contoarele electronice pot transmite informația la distanță, astfel încât acestea să poată susține și facturarea în funcție de oră, de exemplu, înregistrarea cantității de energie utilizată în timpul orelor de vârf și în afara orelor de vârf.

Contorul are o sursă de alimentare, un motor de dozare, un motor de procesare și de comunicare (de exemplu, un microcontroler), precum și alte module add-on: cum ar fi RTC, LCD, porturi de comunicare, etc.. .

Motorul de dozare este dat de tensiune și intrările de curent și are o tensiune de referință, samplere și quantificatoare, urmate de la secțiunea ADC (Analog Digital Converter) pentru a produce echivalenții digitizați ai tuturor intrărilor. Aceste intrări sunt apoi procesate folosind un procesor de semnal digital pentru a calcula diferiți parametri de măsurare.

Cea mai mare sursă de erori pe termen lung în contor este devierea în preamplificator, urmată de precizia referinței de tensiune. Acestea variază în funcție de temperatură, înregistrând diferețe mari față de valorile nominale, deoarece cele mai mulți contori sunt amplasați în aer liber.

Secțiunea de procesare și comunicare are responsabilitatea de a calcula diferitele cantități produse de motorul de măsurare. Aceasta are, prin urmare, responsabilitatea de a folosi diferite protocoale și interfețe cu alte module de completare.

RTC și alte module add-on sunt atașate ca slave în secțiunea de procesare și comunicare pentru diferite funcții de intrare / ieșire. Pe un contor modern, cele mai multe, dacă nu toate acestea vor fi puse în aplicare în interiorul microprocesorul : cum ar fi ceasul de timp real (RTC), controler LCD, senzor de temperatură, memorie și convertoare analog-digitale.

Afișarea la distanță a contorului este un exemplu practic de telemetrie. Economisește costul cititorului de metru uman și greșelile rezultate, dar permite, de asemenea, mai multe măsurători și furnizarea rezultatelor la distanță față de locul măsurării. Multe contoare inteligente includ acum un comutator pentru întreruperea sau restaurarea serviciului.

Din punct de vedere istoric, contorul a fost citit de la distanță folosind o pereche de contacte electrice atașate la o linie KYZ.

O interfață KYZ este un formular C furnizat de contor. Într-o interfață KYZ, firele Y și Z sunt contacte de comutare, scurtcircuitate la K pentru o cantitate măsurată de energie. Când un contact se închide, celălalt contact se deschide pentru a oferi o precizie a numărului. Fiecare modificare a stării de contact este considerată un impuls. Frecvența impulsurilor indică cererea de energie. Numărul de impulsuri indică măsurarea energiei.

Releul KYZ creează impulsuri.Termenul KYZ se referă la denumirile de contact: K pentru comun, Y pentru normal deschis și Z pentru închis în mod normal. Când vine vorba de măsurarea electrică, releul se schimbă la fiecare rotire (sau jumătate de rotație) a discului contorului. Fiecare schimbare de status se numește "puls".

Unele contoare moderne oferă, de asemenea, o închidere de contact care avertizează atunci când contorul detectează o cerere în apropierea unui tarif mai mare la energie electrică, pentru a îmbunătăți gestionarea cererii.

Un protocol propus în acest scop este D.L.M.S / C.O.S.E.M, care poate gestiona orice mediu, inclusiv porturi seriale. Datele pot fi transmise de către Zigbee, WiFi, linii telefonice sau chiar prin liniile electrice. Câteva dispozitive de măsurare a energiei pot citi datele prin intermediul Internetului. Alte protocoale mai moderne devin populare, cum ar fi OSGP (Open Smart Grid Protocol).

Contoarele electronice utilizează acum radio cu frecvență redusă, GSM, GPRS, Bluetooth, IrDA, precum și o conexiune prin cablu RS-485. Elementele pot fi citite acum cu un click al unui buton. Citirile de cerere stocate cu profilele indică cu exactitate cerințele de sarcină ale clientului. Acest profil de încărcare este procesat la utilități în scopuri de facturare și planificare.

Citirea automată a măsurătorilor (AMR) și RMM (citirea la distanță a contorului) descriu modul de testare a contorului fără citirea acestuia.

Un contor electronic poate transmite citirile sale prin linie telefonică sau radio la un birou central de facturare. Citirea automată a contorului se poate face cu modemurile GSM (Global System for Mobile Communications), una este atașată la fiecare contor, iar cealaltă este localizată la biroul central de utilități.

De asemenea, este posibil să se utilizeze comportamentul consumului de energie. Recent, au fost disponibile ecrane de feedback cu costuri reduse. Un studiu care utilizează un contor cititor la consumatori în 500 de case în Ontario, de tipul Hydro One, a arătat o scădere medie de 6,5% a consumului total de energie electrică în comparație cu un grup de control de dimensiune similară. Proiecte precum Google PowerMeter, iau informații de la un contor inteligent și îl fac mai accesibil pentru utilizatori pentru a contribui la promovarea conservării.

Contoarele inteligente merg mai departe decât simpla citire automată a contorului. Acestea oferă funcționalități suplimentare, inclusiv citiri în timp real sau aproape în timp real, notificări privind întreruperea alimentării și monitorizarea calității puterii. Acestea permit stabilirea unor tarife diferite în funcție de consum, bazate pe perioada zilei și sezon.

Mulți consumatori de energie electrică instalează propriul echipament de monitorizare a energiei electrice, din motive de economie sau motive ce țin de mediul înconjurător.

Fig.2.8 Transformatoare de curent folosite ca parte integrată a unui sistem de monitorizare a energiei electrice

S-au dezvoltat o serie de dispozitive comerciale pentru realizarea măsurării prin diferite metode a energiei electrice. Aceste metode tind să devină cât mai precise și inteligente pe măsură ce tehnologia devine din ce în ce mai avansată. [14]

Exemple de dispozitive sunt foarte multe, voi aminti câteva dintre ele și voi descrie succint anumite modele. Dintre cele mai populare exemple amintim:

Excelvan HP1101 – acesta este un dispozitiv ce poate fi cumpărat cu un buget redus. Folosirea aparatului este foarte simplă, tot ce trebuie făcut este să se realizeze conectarea și apoi se poate utiliza pentru măsurarea oricărui consumator în vederea obținerii unor rezultate rapide. Acesta poate măsura o gamă largă de parametri, inclusiv kWh, amperi, tensiune și altele.

Fig. 2.9 Aparat de măsură Excelvan HP1101

Efergy E2 pune la dispoziție actualizări de informații la fiecare 10 secunde, astfel încât să se poată observa dacă apar deviații bruște. Aparatul permite afișarea unei medii zilnice a consumului de energie, fapt ce facilitează cunoașterea tendințele și astfel, utilizatorul poate să ajusteze consumul după bunul său plac.

Fig. 2.10 Dispozitiv de măsură Efergy E2

Blue Line Innovations Power Cost – colectează datele direct de la contorul de energie al casei, deci nu există nici o îndoială cu privire la acuratețea acestui aparat. Avertizarea asupra utilizării curente, face mai ușoară economisirea, atunci când acest lucru este posibil.

Fig. 2.11 Dispozitiv de măsură Blue Line Innovations Power Cost

Eyedro Wireless – aparatul Eyedro Wireless permite monitorizarea costurilor mai multor consumatori de energie electrică și obținerea în orice moment a unor citiri detaliate și clare legate de puterea consumată, prin intermediul serviciului web gratuit, bazat pe cloud. Este disponibil într-un model cablat pentru a se potrivi oricăror tipuri de conexiuni la Internet. Dispozitivul permite realizarea graficelor în timp real, estimări orare / zilnice / săptămânale / lunare, comparații între facturi și estimări, datele putând fi descărcate pentru analize suplimentare.

Fig. 2.12 Dispozitiv de măsură Eyedro Wireless

Sense Home Energy – este un sistem complet care necesită instalare de specialitate. Acesta se montează direct în incinta panoului electric. Dispozitivul oferă date referitoare la întregul profil energetic, precum și informații cu privire la utilizarea în timp real a fiecărui aparat ce realizează consum energetic.

Fig. 2.13 Dispozitiv de măsură Sense Home Energy

Monitoarele de energie electrică sunt o achiziție inteligentă pentru oricine dorește să reducă consumul de energie, fie în scopuri ecologice sau monetare. Aceste monitoare pot ajuta la identificarea dispozitivelor ce utilizează cea mai mare putere. Acestea realizează contorizarea consumului în același mod cu companiile de electricitate, făcând ușoară predicția costului facturii viitoare.

În caz că se folosește o cantitate mare de energie electrică și se dorește reducerea acesteia, multe modele permit utilizatorului să stabilească o limită de kilowați la care acesta dorește să se limiteze. Unitățile de monitorizare a consumului de energie electrică pot afișa informații utile, cum ar fi puterea totală consumată de un dispozitiv într-o zi, urmărirea în timp real și resetarea la fiecare 24 de ore.

Multe monitoare se pot conecta la mai multe dispozitive din jurul casei, permițând navigarea pe ecranul de control, astfel putându-se realiza verificarea fiecărui dispozitiv consumator de energie electrică în parte. Monitoarele compatibile Bluetooth nu doar că permit utilizatorilor aflați la distanță să verifice utilizarea energie electrice, ci și să pornească dispozitivele de la distanță.

Modelele avansate prezintă tehnologie cloud computing, care le permite utilizatorilor să verifice consumul de energie al locuinței lor de pe orice dispozitiv conectat la Internet și să îl salveze pentru analiza ulterioară, astfel încât să-și poată urmări obiceiurile. [15]

2.5 IoT și energia verde

IoT (Internet of Things), în traducere „Internetul obiectelor” este constituit din rețeaua de dispozitive fizice, vehicule, aparate de uz casnic și alte elemente electronice integrate, precum senzori, actuatori, conectate la Internet și interconectate în vederea realizării schimburilor de date.

Fiecare obiect este identificat în mod unic prin propriul sistem informatic încorporat, dar este capabil de a funcționa fără a fi conectate în cadrul infrastructurii de Internet existente.

Numărul dispozitivelor capabile să comunice prin intermediul Internetului a crescut cu 31% față de anul 2016, ajungând la 8.4 miliarde în anul 2017. Se estimează faptul că în anul 2020, numărul acestora va ajunge la 30 de miliarde, iar valoarea de piață va fi undeva la 7.1 trilioane de dolari.

IoT permite obiectelor sa fie detectate sau controlate de la distantă prin intermediul rețelei în care acestea sunt conectate, dar și prin intermediul infrastructurii de rețea existente. Acest tip de concept crează oportunități de integrare mai directă a lumii fizice în sistemele bazate pe computer, ceea ce determină o eficiență îmbunătățită, precizie și beneficii economice, dar și reducerea intervenției personalului uman.

Atunci când IoT se integrează cu senzori și elemente de acționare, tehnologia devine instanță a clasei mai generale a sistemelor cibernetice-fizice, care cuprinde tehnologii precum: rețele inteligente, centrale electrice virtuale, case inteligente, transport inteligent și nu în ultimul rând orașe inteligente (smart cities).

Când vine vorba despre „Internet of Things”, ne putem gândi la o varietate de dispozitive, cum ar fi: dispozitive de monitorizare a implanturilor cardiace, camere video cu streaming live ale diferitelor activități și pentru monitorizarea ariilor protejate, automobile cu senzori încorporați, dispozitive de analiză ADN pentru monitorizarea ecologică, alimentară sau patogenă, dispozitive de operare pe teren care asistă pompierii în operațiunile de căutare și salvare.

Cercetătorii văd această tehnologie ca pe un mix între hardware, software, date și servicii.

Aceste dispozitive colectează date utile cu ajutorul diferitelor tehnologii existente și apoi transferă în mod autonom datele între alte dispozitive.

Se pare că acest concept a fost folosit de către Kevin Ashton de la Procter & Gamble, urmând sa fie utilizat și de MIT's Auto-ID Center în 1999. Prima sursă scrisă și la care se putea face referință despre „Internet of Things” a fost lucrarea intitulată „White Paper”, publicată de către MIT Auto-ID Center în noiembrie 2001, făcută publică în abia în februarie 2002.

Începând cu anul 2016, viziunea asupra „Internet of Things” a evoluat datorită convergenței mai multor factori și tehnologii , inclusiv datorită comunicării fără fir (wireless) omniprezentă, a analizelor în timp real, a mașinilor de învățare (rețelelor neurale), a senzorilor și nu în ultimul rând datorită sistemelor integrate. Acest lucru înseamnă că domeniile tradiționale ale sistemelor încorporate, rețelelor de senzori wireless, sistemelor de control, automatizări (incluzând automatizarea caselor și a clădirilor) și ale altora contribuie la facilitarea funcționării IoT.

Abilitatea unei persoane de a interacționa cu obiectele ar putea fi modificată de la distanță, pe baza nevoilor imediate sau prezente, în conformitate cu acordurile existente privind utilizatorii finali.

Capacitatea rețelelor integrate de a fi conectate și încorporate cu resurse CPU limitate, memorie și resurse de putere scăzute, fac din „Internet Of Things” un concept ce prezintă aplicații aproape în toate domeniile. Astfel de sisteme ar putea fi responsabile cu colectarea informațiilor de la ecosisteme naturale la clădiri și fabrici, găsind astfel aplicații în domeniile legate de mediu și planificare urbană.

O parte preponderent în creștere de dispozitive IoT sunt create pentru consumatori. Exemple de aplicații pentru consumatori includ conectarea autoturismelor la diverși senzori, automatizarea casei, tehnologia portabilă, dispozitive de monitorizare a sănătății, aparate precum mașinile de spălat/uscat, aspiratoarele robotizate, purificatoarele de aer, cuptoarele sau frigiderele ce utilizează tehnologia Wi-Fi pentru monitorizarea la distanță, dispozitive de urmărire a consumului energetic pe anumiți consumatori sau pentru monitorizarea consumului unei clădiri, etc..

Pe de altă parte, unele aplicații destinate consumatorilor au fost criticate pentru lipsa lor de redundanță și inconsistență, dar și pentru lipsa unor standarde stricte de securitate.

Un exemplu de dispozitive IoT sunt acele dispozitive folosite pentru automatizarea locuinței. Sistemele inteligente cu funcții multiple utilizează un hub principal sau un controler pentru a oferi utilizatorilor un control central al dispozitivelor lor. Aceste dispozitive pot include: iluminatul, încălzirea și aerul condiționat, sistemele media și sistemele de securitate. Ușurința utilizării reprezintă un beneficiu major pentru aceste funcționalități. Beneficiile pe termen lung constă în capacitatea de a crea o locuință mai ecologică prin automatizarea anumitor funcții, precum asigurarea opririi luminilor și a unor aparate electrocasnice. Unul dintre obstacolele majore în calea obținerii unei tehnologii smart home este costul inițial ridicat.

Utilizarea media pentru IoT se ocupă în primul rând de marketing și de studierea obiceiurilor consumatorilor. Prin direcționarea comportamentală, aceste dispozitive colectează numeroase puncte de informare despre milioane de indivizi. Folosind profilele construite în timpul procesului de direcționare, producătorii media prezintă publicitatea afișată în conformitate cu obiceiurile cunoscute ale consumatorului la un moment dat. Informațiile suplimentare sunt colectate prin urmărirea modului în care consumatorii interacționează cu conținutul. Acest lucru se realizează prin contorizarea conversiilor, rata abandonului, rata de click, rata de înregistrare și rata de interacțiune.

Controlul rețelei și gestionarea echipamentelor de producție, gestionarea și controlul proceselor de producție aduc IoT în domeniul aplicațiilor industriale și al producției inteligente.

Sistemele digitale de control pentru automatizarea controalelor de proces, a instrumentelor de operare și a sistemelor de informații de service pentru optimizarea siguranței și securității instalațiilor sunt în competența IoT.

Dar, de asemenea se extinde și la gestionarea activelor prin întreținere predictivă, evaluare statistică și măsurători pentru a maximiza fiabilitatea. Prin urmare, sistemele inteligente de management industrial pot fi integrate cu conceptul de Smart Grid, care oferă o optimizare în timp real a energiei. Măsurătorile, comenzile automate, optimizarea instalațiilor, managementul sănătății și siguranței și alte funcții sunt furnizate de un număr mare de senzori în rețea.

Integrarea sistemelor de detectare și de acționare conectate la Internet poate optimiza consumul de energie electrică în ansamblu. Este de așteptat ca dispozitivele IoT să fie integrate în toate formele de dispozitive consumatoare de energie (switch-uri, prize de putere, becuri, televizoare etc.) și vor putea să comunice în mod ordonat cu compania de utilități.

Prin urmare, dispozitivele de localizare ar oferi posibilitatea utilizatorilor de a controla de la distanță aparatele electrice și electronice, sau de a le gestiona la nivel central, printr-o interfață bazată pe cloud și eventual șă le permită activarea de funcții avansate, precum programarea realizată la distanță – pornirea sau oprirea sistemelor de încălzire, schimbarea condițiilor de iluminare, etc. .).

În afară de gestionarea energiei de acasă, IoT reprezintă în special relevanță pentru rețeaua inteligentă (Smart Grid), deoarece oferă sisteme pentru colectarea și acționarea în domeniul energiei și a informațiilor legate de putere în cel mai automat mod, cu scopul de a îmbunătăți eficiența, fiabilitatea, economia și durabilitatea, producția și distribuția energiei electrice. Utilizând dispozitive de infrastructură de măsurare avansată (AMI), precum transformatoare și reclosere.

Aplicațiile de monitorizare a mediului realizate prin intermediul „Internet of Things”, folosesc de obicei senzori pentru a contribui la protecția mediului prin monitorizarea calității aerului sau a apei, condițiilor atmosferice sau ale solului, incluzând chiar monitorizarea animalelor sălbatice în mediile lor naturale.

În viitor, IoT poate fi o rețea nedeterministă și deschisă, în care entitățile să se auto-organizeze în entități inteligente (servicii web, componente SOA) și obiectele virtuale (avataruri) vor fi inter-operabile și capabile să acționeze prin urmărirea propriilor obiective sau să partajeze date și informații în funcție de context, circumstanțe sau medii.

Comportamentul autonom prin colectarea și raționamentul informațiilor despre context vor duce la schimbări relevante în mediul înconjurător . Produsele și soluțiile moderne IoT de pe piață utilizează o varietate de tehnologii diferite pentru a sprijini automatizarea contextuală a căutărilor, dar sunt cerute forme de inteligență mai sofisticate care să permită implementarea senzorilor în medii reale.

„Internetul obiectelor” necesită un nivel de scalare imens în spațiul de rețea pentru a face față creșterii numărului de dispozitive. Protocolul de rețea IPv6 pare să joace un rol major în scalarea acesteia.

Pentru IoT se pot folosi protocoale de conectare wireless sau protocoale de conectare prin intermediul conexiunii cu fir precum:

protocoale wireless short-range: Bluetooth mesh networking , Light-Fidelity – tehnologia de comunicație fără fir similară standardului Wi-Fi, dar care utilizează spectrul luminos pentru a crește viteza, Near-field communication (NFC) , QR codes și cititoare de coduri de bare, Radio-frequency identification (RFID) – tehnologie care utilizează câmpuri electromagnetice pentru a citi datele stocate în etichete încorporate în alte articole , Wi-Fi

protocoale wireless medium-range: HaLow – variantă a standardului Wi-Fi ce oferă o gamă extinsă de comunicații cu putere redusă, la o rată de transfer mai mică, LTE-Advanced – Specificație de comunicație de mare viteză pentru rețelele mobile. Oferă îmbunătățiri ale standardului LTE cu o acoperire extinsă, o capacitate mai mare de transfer și o latență mai mică.

protocoale wireless long-range: Low-power wide-area networking (LPWAN) – Rețelele fără fir concepute pentru a furniza comunicații pe distanțe lungi la o rată scăzută a datelor, reducând puterea și costurile pentru transmisie; Very small aperture terminal (VSAT) – Tehnologia de comunicații prin satelit care utilizează antene mici pentru date în bandă îngustă și în bandă largă , Long-range Wi-Fi connectivity

protocoale wire: Ethernet – protocol folosit pentru acest proiect implementat cu ajutorul Ethernet Shield , Multimedia over Coax Alliance (MoCA) – Specificație care permite distribuția întregului conținut video și conținut de înaltă definiție pe cablurile coaxiale existente , Power-line communication (PLC) – Tehnologie de comunicare care utilizează cabluri electrice pentru a transporta energie și date. Specificații precum HomePlug sau G.hn utilizează PLC pentru dispozitivele de rețea IoT.

O provocare pentru producătorii de aplicații IoT este de a elimina, procesa și interpreta cantitatea mare de date. Există o soluție propusă pentru analiza rețelelor de senzori wireless. Aceste rețele împart date între nodurile senzorilor care sunt trimise unui sistem distribuit pentru datele analitice.

O altă provocare este stocarea acestor date brute. În funcție de aplicație, pot exista cerințe ridicate de achiziție a datelor. În prezent, Internetul este deja responsabil pentru consumul a 5% din totalul energiei generate, iar consumul va crește semnificativ în momentul în care vom începe să folosim aplicații cu mai mulți senzori încorporați.

IoT este foarte util în vederea gestionarii și economisirii energiei electrice în contextul actual, deoarece prin implementarea sistemelor inteligente se pot realiza algoritmi de reducere a costului și de obținere a unui consum minim. Acești algoritmi pot fi adaptați și comunicați și celorlalte dispozitive interconectate de tip IoT. Este foarte clar trendul trecerii la forme de energie regenerabile, care să permită utilizatorilor un cost mai scăzut al energiei, dar să realizeze și protecția mediului înconjurător, prin reducerea poluării de orice natură. Astfel cele două forme de dezvoltare și minimizare a costului, dar și de ecologizare, pot fi îmbinate armonios în vederea realizării îmbunătățirii nivelului de trai.

Energia regenerabilă este colectată din resurse regenerabile, reproduse natural, cum ar fi lumina soarelui, vântul, ploaia, valurile, valurile și căldura geotermală.

Energia regenerabilă furnizează deseori energie în patru domenii importante: generarea de energie electrică, încălzirea / răcirea aerului și a apei, transportul și serviciile energetice rurale.

Pe baza raportului REN21 din 2017, energiile regenerabile au contribuit cu 19,3% la consumul global de energie al oamenilor și 24,5% la producerea de energie electrică în 2015, respectiv 2016. Acest consum de energie este de 8,9% din biomasa tradițională, 4,2% din energia termică, 3,9% din energia electrică din hidro și 2,2% din energia electrică produsă de energia eoliană, solară, geotermală și biomasă.

Resursele de energie regenerabile există în zone geografice largi, spre deosebire de alte surse de energie, concentrate într-un număr limitat de țări. Utilizarea rapidă a energiei regenerabile și eficiența energetică are ca rezultat o securitate semnificativă a energiei, atenuarea schimbărilor climatice și beneficii economice.

Tehnologiile din domeniul energiei regenerabile devin mai ieftine, prin schimbările tehnologice și prin beneficiile producției în masă și al concurenței pe piață.

Hidroelectricele și energia geotermală produse în locații favorabile reprezintă acum cea mai ieftină cale de a genera energie electrică. Costurile energiei din surse regenerabile continuă să scadă, iar costul de energie electrică (LCOE) a scăzut în ceea ce privește energia eoliană, fotovoltaica solară (PV), energia solară concentrată (CSP) și unele tehnologii privind biomasa.

Biomasa și biocarburanții emit cantități mari de poluare a aerului atunci când sunt arse, în plus, biomasa și biocarburanții consumă cantități mari de apă. Alte surse regenerabile, cum ar fi energia eoliană, fotovoltaica și hidroelectricitatea, au avantajul de a fi mai conservatoare, de a reduce poluarea și de a reduce emisiile de CO2.[17]

2.6 Tipuri de senzori utilizați pentru măsurarea curentului

Un senzor este un dispozitiv care detectează și răspunde la un tip de intrare din mediul fizic. Intrarea specifică ar putea fi lumină, căldură, mișcare, umiditate, presiune sau orice alt număr de alte fenomene de mediu. Valorile obținute la ieșirea unui senzor sunt de obicei convertite din semnal electric în semnal digital afișabil pe un ecran, fapt ce face mai ușoară interpretarea și prelucrarea datelor obținute prin intermediul măsurătorilor. În mod electronic prin intermediul unei rețele de citire sau prelucrare ulterioară. [18]

Un senzor de curent este un dispozitiv care detectează curentul electric într-un fir și generează un semnal proporțional cu acel curent. Semnalul generat ar putea fi tensiunea sau curentul analogic sau chiar o ieșire digitală. Semnalul generat poate fi utilizat pentru afișarea curentului măsurat cu un ampermetru, poate fi utilizat pentru analiza ulterioară într-un sistem de achiziție de date sau poate fi utilizat în scopul controlului. [19]

Variantele de măsurare a curentului și forma semnalului de ieșire pot fi:

Intrare curent alternativ

ieșire analogică, care realizează duplicarea formei de undă a curentului detectat.

ieșire bipolară, care realizează duplicarea formei de undă a curentului detectat.

ieșire unipolară, care este proporțională cu valoarea medie sau RMS a curentului detectat.

2. Intrare curent continuu

unipolar, cu o ieșire unipolară, care duplică forma de undă a curentului detectat

– ieșire digitală, care comută atunci când curentul detectat depășește un anumit prag

Detectarea curentului cu o precizie ridicată este cheia pentru îmbunătățirea eficienței sistemelor de comandă cu buclă închisă, dar și pentru detectarea precisă a consumului realizat de către un dispozitiv, sau o gamă de dispozitive în vederea optimizării consumului de energie electrică sau detectării fluctuațiilor existente într-un circuit sau rețea electrică.

Există multiple metode de realizare a măsurării curentului, unele mai precise, altele având o precizie mai scăzută, însă trebuie precizat faptul că este foarte greu de realizat un dispozitiv care să măsoare curentul electric cu un grad de precizie foarte ridicat. Senzorii cu performanțe notabile au un cost de achiziție mai ridicat.

Dintre metodele de măsurare a curentului electric cu ajutorul senzorilor putem aminti: senzorii Hall , transformator sau contor de curent, transformator de tip Fluxgate, senzor optic de curent, bobină Rogowski.

Pe lângă senzori, mai sunt și alte metode de măsurare bine cunoscute cum ar fi utilizarea aparatelor de măsură sau metode de măsurare prin folosirea unei rezistențe de valori cunoscute (aceasta trebuie să prezinte o toleranță scăzută pentru a nu influența procesul de măsurare), cu ajutorului șuntului, etc.. .

Rezistoarele de șuntare sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații și oferă o precizie relativ mare la driftul de temperatură scăzută. Cu toate acestea, utilizarea acestora este limitată de propria lor valoare de rezistență. În cazul aplicațiilor cu tensiuni de frecvență ridicată, rezistențele de șuntare necesită amplificatoare izolate, cum ar fi AMC1200 sau, pentru cele mai performante sisteme, un modulator delta-sigma izolat ca AMC1304L05. Acest aparat oferă o gamă mică de tensiune de intrare de ± 50mV, permițând utilizarea de șuturi de rezistență mai mici, fără a compromite performanța.

Bobinele Rogowski măsoară doar curentul alternativ (AC), sunt înfășurate în jurul unui conductor ce distribuie curentul ce urmează a fi măsurat. Acestea oferă o tensiune proporțională cu rata de schimbare a curentului alternativ și, prin urmare, necesită un integrator înainte de a fi procesat folosind un convertor analog-digital (ADC).

Bobinele Rogowski sunt potrivite pentru aplicații retrofit, deoarece bobina poate fi montată în jurul conductorului fără a întrerupe fluxul de curent. Ei nu folosesc un miez metalic, astfel încât toleranțele mecanice influențează și limitează acuratețea realizabilă. Din același motiv, ele nu sunt saturate și sunt astfel utilizate în aplicații cu curent înalt. Inductanța lor scăzută permite utilizarea în sisteme cu rate mari de funcționare (la frecvențe ridicate).

Fig. 2.14 Folosirea bobinei Rugowski în vederea măsurării curentului electric

În transformatoarele de curent (CT), curentul AC primar generează un câmp într-un miez magnetic. Acest câmp magnetic induce un curent proporțional în bobina secundară. Este necesar un rezistor de sarcină pentru a transforma curentul într-un semnal de tensiune pentru o prelucrare ulterioară într-un ADC.

Precizia CT-urilor depinde de toleranțele mecanice ale setării, de precizia și de deviația de temperatură a miezului magnetic. Nivelul de saturație al miezului magnetic limitează intervalul dinamic al unui CT. Pe de altă parte, designul dedicat permite adaptarea unui CT pentru un anumit caz de utilizare. CT sunt utilizate pe scară largă pentru detectarea curenților în rețelele electrice.

Fig. 2.15 Folosirea transformatoarelor de curent (CT), în vederea realizării măsurării curentului electric

Senzorii magnetorezistivi își schimbă rezistența în prezența câmpului magnetic, a curentului direct (DC) sau a AC. Senzorii magnetorezistivi sunt de dimensiuni mici și sunt de obicei utilizați pentru detectarea poziției și a unghiului. Acestea sunt alternative eficiente din punct de vedere al costurilor pentru aplicațiile cu curent scăzut care nu necesită o precizie ridicată.

Fig. 2.16 Folosirea senzorilor magnetorezistivi în vederea realizării măsurării curentului electric

În funcție de materialul utilizat, se pot alege dintre două tipuri de senzori magnetorezistivi:

Senzorii de magnetorezistență anizotropică (AMR) utilizează materiale feromagnetice într-un câmp magnetic. Variația rezistenței este foarte mică, prin urmare, punțile Wheatstone sunt adesea folosite pentru a le simți.

Senzori magnetorezistivi gigant (GMR) bazați pe straturi magnetice și nemagnetice alternante. În comparație cu senzorii AMR, procesul de producție este mai complex și mai scump.

Senzorii cu efect Hall oferă o tensiune proporțională cu câmpul magnetic AC sau DC. Sunt folosiți în circuite inerent zgomotoase, unde nivelul de tensiune este foarte dependent de temperatură. Se poate folosi limitări de excitație inteligente, cum ar fi cele utilizate în circuitul integrat (IC) pentru condiționarea semnalului de la senzorul DRV411.

Senzorii Hall pot fi utilizați în aplicații cu buclă deschisă care nu necesită niveluri de acuratețe ridicate. Pentru o mai mare acuratețe, abordările cu buclă închisă sunt cele mai bune. Acestea includ senzorul Hall, un miez magnetic cu bobină de compensare și un circuit de condiționare a semnalului care este de obicei sub forma unui modul complet. Modulele cu buclă închisă sunt disponibile pentru o gamă largă de precizie, niveluri curente și costuri. Alte exemple de senzori cu efect Hall includ familia DRV5000.

Fig. 2.17 Diferiți senzori Hall de curent folosiți pentru măsurarea curentului electric

Senzorii Fluxgate oferă cel mai înalt nivel de sensibilitate, cel mai larg interval dinamic, temperatură scăzută și performanță la deviația acesteia în comparație cu alte metode de detectare a curentului. Proiectarea unui senzor exterior de flux este complexă și necesită toleranțe mecanice scăzute, numai câțiva producători de senzori fluxgate existând la nivel mondial. TI a anunțat recent DRV421, primul senzor de flux integrat complet, cu toate funcțiile necesare de condiționare a semnalului pentru aplicațiile DC și AC cu circuit închis. Cu un miez magnetic și o bobină de compensare, această soluție permite fabricarea ușoară a modulelor de curent de înaltă precizie și de nivel scăzut (circuite care prezită “scurgeri” de curent). [20]

Fig. 2.18 Diferiți senzori Fluxgate de curent folosiți pentru măsurarea curentului electric

2.7 Tensiunea electrică

Tensiunea, diferența de potențial electric, presiunea electrică sau tensiunea electrică (denumită în mod formal ΔV sau ΔU, dar mai des pur și simplu ca V sau U) reprezintă diferența de potențial electric între două puncte. Tensiunea dintre două puncte este egală lucrul mecanic efectuat în unitatea de încărcare față de un câmp electric static pentru a deplasa o sarcină de test între două puncte. Aceasta este măsurată în volți ( sau jouli per coulombi). Deplasarea a un coulomb de încărcare pe un volt de potențial electric necesită 1 joul de lucru mecanic efectuat.

Diferențele de potențial electric între puncte pot fi cauzate de câmpurile electrice statice, de curentul electric prin câmpul magnetic, de câmpurile magnetice care variază în timp sau de o combinație a acestor trei. Un voltmetru poate fi folosit pentru a măsura tensiunea (sau diferența de potențial) dintre două puncte dintr-un sistem; de multe ori un potențial de referință comun este raportat la pamânt (ground – GND), reprezentat de un potențial nul.

O tensiune poate fi reprezentă fie de o sursă de energie (forță electromotoare), fie de o energie pierdută, utilizată sau stocată (scădere potențială).

Fiind date două puncte în spațiu (XA, respectiv XB), tensiunea electrică reprezintă diferența de potențial dintre cele două puncte. Din definiția potențialului rezultă că:

Potențialul electric este energia potențială electrică per încărcare unitară, măsurată în jouli per coulomb (volți). "Potențialul electric" trebuie să se distingă de "energia potențialului electric", observând că "potențialul" este o cantitate "per unitate de încărcare". Ca și energia potențială mecanică, zero poate fi ales în orice punct, astfel încât diferența de potențial, adică tensiunea, este cantitatea care are semnificație fizică. Tensiunea dintre punctul A și punctul B este egală cu lucrul mecanic care ar trebui făcut, pe unitatea de încărcare, împotriva sau în sensul câmpului electric pentru a deplasa sarcina electrică de la punctul A la punctul B. Tensiunea dintre cele două capete ale unei căi este energia totală necesară pentru a deplasa o mică încărcătură electrică de-a lungul acelei căi, împărțită la mărimea încărcării.

Din punct de vedere matematic, acest lucru este exprimat ca integrală liniară a câmpului electric și viteza de schimbare a câmpului magnetic de-a lungul acelei căi. În general, trebuie să se includă atât un câmp electric static (neschimbător), cât și un câmp electromagnetic dinamic (care variază în funcție de timp) în determinarea tensiunii dintre două puncte.

Curentul convențional într-un fir sau rezistor întotdeauna curge de la tensiune mai mare la tensiune mai mică. Curentul poate curge de la o tensiune mai mică la o tensiune mai mare, dar numai atunci când o sursă de energie este prezentă pentru a o "împinge" împotriva câmpului electric opus.

Instrumentele pentru măsurarea tensiunii includ voltmetrul, potențiometrul și osciloscopul. Voltmetrul funcționează prin măsurarea curentului printr-un rezistor fix, care, conform legii lui Ohm, este proporțional cu tensiunea pe rezistența. Potențiometrul funcționează prin echilibrarea tensiunii necunoscute față de o tensiune cunoscută într-un circuit. Osciloscopul catodic funcționează prin amplificarea tensiunii și folosirea acesteia pentru a reflecta un fascicul de electroni dintr-o cale dreaptă, astfel încât deformarea fasciculului este proporțională cu tensiunea.[21]

Fig. 2.19 Aparat de măsurare a tensiunii electrice – multimetru digital

2.8 Măsurarea utilizând un transformator (alternativ – alternativ)

Transformatorul electric reprezintă un caz limită de mașină electrică asincronă statică (cu rotorul imobil), destinată să transfere putere electromagnetică de la un circuit primar cu w1 spire la un alt circuit secundar cu w2 spire (ambele circuite fiind imobile, cuplate magnetic inductiv și plasate pe un miez feromagnetic), transfer caracterizat prin modificarea valorilor tensiunii u1 și curentului i1 din primar la valorile u2, i2 ale tensiunii și curentului din secundar, frecvența procesului de transfer rămânând constantă.

În esență, un transformator are în componența sa un miez feromagnetic pe care sunt plasate câte două sau mai multe înfășurări izolate una față de alta cât și față de miez.

Înfășurarea ce primește energia de la sursă este numită înfășurare primară sau bobinaj primar, înfășurarea care cedează energia unei rețele/circuit local este numită înfășurare secundară sau bobinaj secundar. La transformatoarele cu mai multe înfășurări, de regulă, una este înfășurare primară, celelalte fiind înfășurări secundare.

Dacă U2<U1, transformatorul este coborâtor de tensiune iar dacă U2>U1, el este ridicător de tensiune, ca cel folosit în proiect, U2 fiind egal cu 9V. Înfășurarea conectată la rețeaua de tensiune mai ridicată reprezintă înfășurarea de înaltă tensiune (IT), iar cea conectată la rețeaua de tensiune mai scăzută, este numită înfășurare de joasă tensiune (JT).

Clasificarea transformatoarelor electrice se poate face după mai multe criterii:

după numărul fazelor, transformatoarele electrice pot fi monofazate sau polifazate; dintre transformatoarele polifazate, cele mai importante sunt cele trifazate;

după numărul înfășurărilor cuplate între ele deosebim transformatoare cu două înfășurări și mai rar cu trei sau mai multe înfășurări, numite în acest caz transformatoare cu înfășurări multiple utilizate pentru puteri mari; transformatoarele cu trei înfășurări permit ca o rețea de o anumită tensiune să alimenteze simultan două rețele de tensiuni diferite.

după modul de răcire:

transformatoare electrice uscate răcite cu aer

transformatoare răcite cu ulei

transformatoare răcite cu nisip

după destinație:

transformatoare de putere

transformatoare speciale de putere

transformatoare pentru reglarea tensiunii

autotransformatoare

transformatoare de măsură

transformatoare pentru încercări [22]

Fig. 2.20 Transformatoare electrice, stânga transformator cu coloane, iar în partea dreaptă – transformator în manta

Fig. 2.21 Principiul constructiv al unui transformator electric

Capitolul III: Parametrii unei rețele monofazate

Un generator electric nu face altceva decât să preia o anumită formă de energie (mecanică, electrică, chimică) și să o transforme în energie electrică.

Pe de altă parte un consumator electric preia energia electrică și o transformă în altă formă de energie (de exemplu căldură, lumină, lucru mecanic).

În momentul funcționării, componentele electrice transformă energia pe care o primesc în una sau mai multe forme de energie.

În cazul energiei electrice, viteza de transformare a energiei electrice în sau din altă formă de energie este numită putere electrică. Când vine vorba despre energia electrică, viteza de transformare este proporțională atât cu tensiunea cât și cu intensitatea curentului electric.

Așadar, relația care definește în sens general puterea electrică este următoarea:

Unde:

P – puterea electrică [P]SI = W (vați);

U – tensiunea electrică la borne [U]SI = V (volți);

– intensitatea curentului electric []SI = A (amperi);

Relația (3) are însă dezavantajul de a putea fi folosită doar în cazul circuitelor formate doar din rezistențe, acest lucru întâmplându-se din cauză că, rezistențele transformă energia electrică într-un singur sens (din energie în căldură, prin efect Joule), în timp ce bobinele, respectiv condensatorii înmagazinează energia electrică, dar la fel de ușor o pot ceda în circuit.

Se dorește deci aflarea puterii consumate de circuit, nu a puterii cedate, de aceea, relația de mai sus nu este tocmai concludentă, punând la comun atât puterea cedată, cât și puterea acceptată de către circuit.

Ținând cont de faptul ca orice componentă electronică nu se poate comporta în mod ideal și de aici rezultând faptul ca mereu componentele vor avea atât componente capacitive cât și inductanțe parazite, rezultă faptul că formula data de relația (3.1) rămâne valabilă doar în cazul alimentării circuitului cu o tensiune constantă, lucru destul de greu de atins în practică.

Totuși, în cazul componentelor de dimensiuni mici, folosite în circuite electrice cu o frecvență joasă (mai mică de câțiva zeci de mii de hertzi), efectul capacităților și inductanțelor parazite devine neglijabil, de cele mai multe ori.

3.1 Putere electrică activă (W)

Puterea electrică activă reprezintă de fapt, puterea reală consumată de către un circuit electric. Într-un circuit în care sunt prezente atât rezistențe, cât și bobine și condensatori, puterea electrică activă este dată doar de către componentele rezistive, deoarece, acestea nu pot să stocheze energia electrică (toată energia electrică primită este consumată într-un fel, și în acest caz este vorba de căldură).

Formula de calcul a puterii active este cea de la relația (3.1), însă aceasta poate fi scrisă ca în relația următoare:

Unde:

P – puterea electrică [P]SI = W (vați);

U – tensiunea electrică la borne [U]SI = V (volți);

– intensitatea curentului electric []SI = A (amperi);

R – rezistența electrică a circuitului [R]SI = Ω (ohmi);

3.2 Putere electrică reactivă (VAR)

Această putere reprezintă puterea electrică transferată înspre și dinspre bobine și condensatori. Se pot privi bobinele și condensatorii precum niște oglinzi, care după ce primesc energie electrică o cedează (reflectă) mai devreme sau mai târziu în circuitul electric.

Datorită acestui motiv, capacităților și condensatoarelor se mai numesc și componente reactive – reacționează la trecerea curentului electric folosind energia electrică acumulată anterior.

Pentru a explica mai pe larg ce fenomene au loc în prezență bobinelor și condensatorilor într-un circuit ne vom referi la următoarele idei:

energia electrică primită de către bobină se transformă în energie magnetică. În momentul în care tensiunea de la bornele bobinei tinde sa scadă sau rămâne constantă, energia magnetică stocată în interiorul bobinei se transformă în energie electrică, producând un curent de sens contrar cu cel existent inițial în bobină

în cazul condensatorului, energia electrică este folosită de către acesta pentru a muta sarcini electrice de la o bornă la alta a condensatorului. Când tensiunea de la bornele condensatorului tinde sa scadă, energia înmagazinată în condensator este cedată circuitului electric sub forma unui curent care are același sens cu cel inițial. În altă ordine de idei, în momentul în care tensiunea la bornele circuitului scade, condensatorul se descarcă și reintroduce în circuit energia electrică primită.

Formula de calcul pentru puterea electrică reactivă este următoarea:

Unde:

Q – putere electrică reactivă [Q]SI = VAR (volt-amperi reactivi);

– intensitatea curentului electric []SI = A (amperi);

U – tensiunea electrică la borne [U]SI = V (volți);

X – reactanța electrică [X]SI = Ω (ohmi);

Reactanța electrică arată, de fapt, cât de mult se opun condensatorii sau o bobinele trecerii curentului electric prin ele. Reactanța poate fi inductivă sau capacitivă, în funcție de tipul componentei electronice prin care trece curentul electric (bobină, respectiv condensator).

Reactanțele pot fi calculate, iar în funcție de felul lor pot avea următoarele formule:

Pentru reactanțele inductive avem:

Pentru reactanțele capacitive:

Unde:

– reactanță inductivă

[]SI = Ω (ohmi);

– reactanță capacitivă

[]SI = Ω (ohmi);

f – frecvența circuitului alternativ ce se vehiculează prin componente

[f]SI = Hz (hertzi);

L – inductanța bobinei sau inductanța echivalentă (în cazul existenței mai multor inductanțe)

[L]SI = H (henry);

C – capacitatea condensatorului sau capacitatea echivalentă (în cazul în care există mai multe condensatoare)

[C]SI = F (farazi);

Astfel, „X ” din cadrul relației (3.3) va fi înlocuit cu „” în cazul bobinelor și cu „” în cazul în care în circuit există doar condensatori.

Este necesară cunoașterea și înțelegerea puterii reactive, deoarece prezența ei în circuitul electric solicită suplimentar atât generatorul cât și cablurile care realizează alimentarea circuitului.

Prezența componentelor reactive într-un circuit electric reprezintă o sursă de fluctuații, energia electrică nu mai circulă lin prin circuit, ci câteodată este înmagazinată în componentele reactive, iar alteori este descărcată brusc în circuit. Datorită acestor inconveniente, circuitul electric trebuie construit mai solid, astfel încât sa facă față cu bine solicitărilor la care este supus, fapt ce duce la sporirea numărului și calității (preciziei) componentelor. Aceste considerente duc așadar la creșterea costului de realizare.

3.3 Putere electrică aparentă (VA)

Puterea electrică aparentă reprezintă puterea ce înglobează atât puterea electrică activă cât și puterea electrică reactivă.

Calculul puterii electrice aparente se poate realiza cu ajutorul următoarelor formule:

Unde:

S – puterea electrică aparentă [S]SI = VA (volt-amperi);

U – tensiunea electrică la borne [U]SI = V (volți);

Amintindu-ne de relația (3.1), care ne arată că, puterea este egală cu intensitatea curentului electric înmulțită cu tensiunea la bornele circuitului electric, dacă se realizează acest calcul pentru un circuit de curent alternativ ce are în construcție doar componente reactive (bobine și condensatori), se va obține doar o puterea aparentă, deoarece valoarea ei poate fi departe de valoarea puterii reale (puterea activă), consumată de circuitul respectiv.

3.4 Factorul de putere

Din punct de vedere matematic, factorul de putere reprezintă raportul dintre puterea electrică activ și cea aparentă. Fiind vorba de un raport între două mărimi de aceeași natură, rezultatul va fi o marime adimensională.

Această mărime poate să conțină valori de 0, 1, sau valori din acest interval după cum urmează:

valoarea 0 înseamnă că în circuit nu există decât componente reactive, acestea nu consumă energie ci doar o înmagazinează sau o injectează în circuit pe cea existentă, așa cum am explicat mai sus;

valoarea 1 rezultă din faptul că, prin circuit nu circulă decât putere activă

Este cunoscut faptul că atunci când circuitul conține bobine și condensatori pot să existe diferențe de fază între tensiunea și intensitatea curentului electric.

Mai este cunoscut și faptul că bobinele induc un defazaj opus față de defazajul introdus de către condensatoare, de unde rezultă faptul că reactanțele introduse de acestea sunt egale, adică se vor anula reciproc. În practică însă această egalitate apare foarte rar dacă nu se intervine în niciun fel în circuit. Vom avea parte de un defazaj mai mic sau mai mare între tensiunea electrică și intensitatea curentului electric, fapt ce duce la dezechilibre în circuit.

Deci, pentru a concluziona, un factor de putere mai mic decât 1 duce la pierderi. Se intervine astfel în circuit pentru aducerea factorului cât mai aproape de 1, procedeu numit compensarea factorului de putere. [23]

3.5 Defazajul dintre tensiunea electrică și intensitatea electrică (φ – grade)

Curentul alternativ prezintă o comportare ciclică, pentru acest motiv s-a introdus, pentru ușurința înțelegerii fenomenelor, o convenție prin care durata unui ciclu (alternantă completă), se poate transpune în circumferința unui cerc. (fig 3.1)

Fig. 3.1 Exprimarea valorii instantanee a tensiunii electrice alternative cu ajutorul poziției unghiulare pe circumferința unui cerc

În figura de mai sus putem observa reprezentarea grafică a unei alternanțe complete în curent alternativ. În partea dreaptă se poate observa cum domeniul de tensiuni din partea stângă a fost translatat prin intermediul circumferinței unui cerc.

Acest lucru poate fi tradus prin faptul că oricărei poziții de pe linia albastră din stânga imaginii îi corespunde o poziție pe circumferința cercului din figura din partea dreaptă.

Astfel prin împărțirea zonelor de alternare în grade rezultă:

punctului în care alternanța are valoarea 0 pe zona ascendentă ( t0) îi corespunde poziția de 0o;

punctului în care alternanța are valoarea pozitivă maximă (t1) îi corespunde poziția de 90o;

punctului în care alternanța conține valoarea 0 pe zona descendentă (t2) este poziția de 180o;

punctului în care alternanța are valoarea negativă maximă (t3) îi corespunde poziția de 270o;

punctului în care alternanța atinge din nou valoarea 0 pe zona ascendentă (t4) este poziția de 360o pentru alternanța curentă și în același timp punctul de 0o al următoarei alternanțe.

În cazul existenței a doua semnale acestea pot sa fie:

în fază, atunci când alternanțele celor două semnale trec în același timp prin momentele t0, t1, t2, t3 și t4;

defazate, atunci când alternanțele celor două semnale nu trec în același timp prin momentele t0, t1, t2, t3 și t4; [23]

Elementele de circuit care introduc defazaj sunt bobină și condensatorul. Rezistențele sunt elemente de circuit care nu introduc niciun defazaj. [24]

Fig. 3.2 Defazajul introdus într-un circuit de către rezistențe, condensatori și bobine

Fig. 3.3 Diagrama fazorială pentru un circuit cu caracter inductiv (partea stangă), respectiv cu caracter capacitiv (dreapta)

Fig. 3.4 Diagrama fazorială pentru un circuit cu caracter rezistiv

Dacă în cazul unei rezistențe electrice, prin modificarea tensiunii la borne, aceasta va modifica instantaneu intensitatea curentului electric ce o străbate, în cazul unei bobine însă orice variație a tensiunii la borne va provoca apariția fenomenului de autoinducție. (Fig. 3.5)

Fig. 3.5 Defazajul dintre curent și tensiune produs de către o bobină

În cardul figurii de mai sus avem reprezentate două semnale și anume: variația tensiunii aplicate la bornele unei bobine, respectiv intensitatea curentului electric ce o străbate.

Așa cum se poate observa, pe întreaga durată pe care tensiunea la borne crește (reprezentat grafic printr-o linie de culoare albastră, pe intervalul t0 – t1), fenomenul de autoinducție împiedică modificarea (creșterea) intensității curentului electric prin bobină.

Când tensiunea încetează sa crească (momentul de timp t1), fenomenul de autoinducție scade, iar curentul electric începe sa crească, continuând creșterea pentru a compensa diminuarea tensiunii de la borne, având scopul de stabilizare prin pomparea curentului suplimentar în circuit.

Maximul pozitiv de curent electric se atinge în momentul t2 , la acest moment viteza de variație a tensiunii fiind maximă. Între momentele de timp t2 – t3 , viteza de variație a tensiunii si cea a curentului electric scade până la valoarea 0. Între t3 – t5 , tensiunea își mărește viteza de variație și se creează un maxim negativ de curent la momentul t4, urmând ca viteza de variație a tensiunii să scadă, curentul electric ajungând la valoarea 0 în momentul t5. După acest moment de timp, procesul se reia.

Tot din graficul din fig. 3.5 putem observa faptul că tot timpul variația tensiunii va influența variația curentului electric, abia după ce a trecut un sfert din durata unei alternanțe complete.

Distanța dintre t0 și t1 , constituie un defazaj de +90o (tensiunea apare înaintea curentului).

Din acest considerent se spune faptul că defazajul dintre tensiune și curent produs de către o inductanță este pozitiv.

Spre deosebire de bobină, care tinde să mențină un curent constant prin ea, condensatorul tinde să mențină constantă tensiunea la borne. În graficul din figura de mai jos se poate observa modul în care tensiunea la borne și curentul electric printr-un condensator fluctuează.

Fig. 3.6 Defazajul dintre tensiune și curent produs de către un condensator

În cazul în care tensiunea la bornele condensatorului este crescută (momentul t0), condensatorul începe să consume un curent foarte mare, curent ce scade la valoarea 0, abia la momentul de timp t1, când tensiunea încetează sa mai crească.

Între momentele de timp t1 și t2, tensiunea scade lent, condensatorul începând sa se descarce lent, deci și curentul debitat de acesta va fi unul mic. Pe măsură ce graficul se apropie de momentul t2 , viteza de variație crește din ce în ce mai mult, condensatorul urmând să se descarce din ce în ce mai repede, deci și curentul electric generat de acesta crește atingând un maxim la momentul t2.

La atingerea valorii negative maxime (momentul t3), condensatorul nu mai consumă niciun curent, având deja la borne tensiune (negativă) maximă. Când tensiunea se îndreaptă spre momentul t4 , curentul crește până la maximul pozitiv, urmând să scadă până la valoarea 0 la momentul t5.

Ciclul se reia și în cazul următoarelor alternanțe.

Așadar, capacitatea produce un defazaj între tensiunea la borne și curentul electric de -90o (negativ deoarece prin aceasta se indică faptul ca tensiunea apare ceva mai târziu decât curentul).

Concluzionând, printr-un circuit alternativ care conține bobine și condensatori, curentul maxim prin bobină va fi defazat cu 180o fată de curentul maxim pin condensator.Valoarea maximă pozitivă a curentului electric prin bobină apare exact în momentul în care curentul electric prin condensator atinge valoarea negativă minimă, cei doi curenți fiind mereu contrari. [24]

Capitolul IV: Dezvoltarea unei soluții de analiză și raportare de consum electric și parametri generali

Acest capitol cuprinde implementarea propriu-zisă a proiectului, materialele necesare realizării acestuia, precum și pașii urmați pentru a putea reuși dezvoltarea unui sistem performant de monitorizare a parametrilor unui circuit electric.

În primul rând, proiectul se bazează pe un sistem inteligent de măsurare a parametrilor unui circuit electric, sau poate fi folosit ca sistem de monitorizare a energiei electrice într-o locuință, de exemplu, în vederea luării la cunoștintă a consumului, dar și a eventualelor defecte ce pot să apară în buna funcționare a rețelei electrice sau aparatelor folosite.

4.1 Tehnologii și unelte

La baza funcționării dispozitivului realizat stă folosirea unor tehnologii moderne de măsurare, monitorizarea parametrilor electrici prin intermediul unui contor electric digital, cu afișare a datelor pe un host local și stocarea acestora cu ajutorul unui card microSD. Astfel, aceste date nu pot fi doar vizualizate în timp real (pe monitorul contorului electric), ci pot fi și analizate mai apoi prin descărcarea unui fișier de pe serverul web local sau de pe fișierul creat pe cardul microSD.

În fișierul prezent pe card se achizițonează date de la contorul electric digital, acestea fiind stocate la un anumit interval de timp de ordinul secundelor (1.5 secunde) în format .CSV.

Se pot astfel vizualiza în modul brut dar și sub formă de grafică, analiza, interpreta datele culese. Este foarte ușor de făcut o analiză generală, pe ore, zile sau luni, deoarece dispozitivul este dotat cu un RTC (Real Time Controller) , ce permite atașarea orei și datei din momentul scrierii pe card a valorilor primite.

Aceste tehnologii inteligente, de accesare a datelor și vizualizare a lor prin intermediul Internetului oferă un mare avantaj față de dispozitivele clasice de măsurare, prin faptul că permit utilizatorilor să fie la curent cu informațiile primite, fără să fie nevoiți să se deplaseze la locul măsurării, ci doar să dispună de un dispozitiv cu posibilitate de conectare la Internet.

Dacă vorbim strict de implementarea realizată în acest proiect, nu putem discuta de o vizualizare a datelor colectate la nivel de site web cu domeniu public, plătit, ci doar de vizualizarea datelor prin intermediul unei rețele de Internet locale (LAN – Local Area Network). Cert este că trecerea la nivel de site, cu acces limitat, sau cu acces public, prin intermediul unui domeniu de hosting este foarte simplă de implementat.

Văzând dezvoltarea conceptului IoT, prezentat anterior, în capitolul II (2.6), acest dispozitiv nu se poate rezuma numai la transmiterea datelor prin intermediul Internetului, ci poate fi conceput în vederea comunicației cu alte dispozitive de aceeași natură, în vederea optimizării consumului de energie electrică, vizualizarea orelor de vârf sau de bază ale nivelului de consum de energie. Centralizarea datelor astfel obținute de la dispozitive interconectate poate să reducă pierderile generate în sistem și să ducă la optimizarea procesului de consum de energie.

Pe lângă tehnologiile și conceptele folosite, sunt necesare o serie de componente și dispozitive care să realizeze legătura dintre partea conceptuală și cea fizică.

Când vine vorba despre dispozitive folosite, două dintre ele sunt de o importanță crucială.

Primul dispozitiv este NodeMCU v3, ce conține un microchip ESP8266, cu WiFi intergrat – dispozitivul care preia datele primite de la contorul electric digital, le procesează, le transmite către o adresă IP, pusă la dispoziție de dispozitivul conectat prin intermediul WiFi, realizând practic transmiterea pachetelor de date către serverul web local (client – browser).

Al doilea dispozitiv este contorul digital electric – cu posibilitate de măsurare pe o singură fază (DDS238-2 ZN/S), ce are rolul de a măsura mai mulți parametrii electrici (curent electric, tensiune electrică, putere activă, putere reactivă, factoul de putere, energia consumată, frecvența).

În contiuare voi descrie, în linii mari procesul de realizare a conexiunilor, din punct de vedere fizic, urmând ca mai apoi să mă opresc asupra fiecărui dispozitiv în parte și să prezint mai amănunțit rolul pe care îl are în proiect, caracteristicile generale, dar și particulare (conexiuni cu alte dispozitive, cod utilizat, etc).

S-a utilizat o tripă, care a fost adaptat în următorul fel (s-a tăiat în două parți):

– partea de alimentare, conectată la rețeaua monofazată (stacker-ul împreună cu fir mai lung), iar firele (nul și fază) s-au conectat la dispozitul de măsurare (contorul electric digital) pe intratile 1 (faza) si 2 (nulul) ale acestuia

– partea cealată, priza cu cele trei locuri de conectare, iar firele s-au conectat la dispozitivul de măsurare pe ieșirile 3 (faza) și 4 (nul) ale acestuia (această parte este și cea în care se introduc dispozitivele ce urmează a fi măsurate)

De menționat faptul că tripla despune de protecție.

De la intrarile 1 și 2 din contorul digital s-au tras două fire (nul și fază), ce au fost conectate la un adaptor de 5V, care la randul său trimite cei 5V printr-un fir usb adaptat, ce are la capatul final două fire. Acestea au fost legate la un dispozitiv de limitare(stabilizare) a tensiunii.

Așadar s-a realizat o conversie de la 230V (rețea), la 5V prin adaptor, după care la 3.3V prin stabilitaroul de tensiune, aceasta tensiune urmând să alimenteze modulul ESP8266.

Un alt fel de alimentare pentru modulul ESP8266, este pin intermdeiul bateriei, care poate fi trecută în modul ON sau OFF.

Bateria utilizată este de tipul litiu-polimer LP523450 de 3.7V și 900 mAh, fiind folosită cu scopul de a menține dispozitivul NodeMCU alimentat în cazul căderilor de tensiune pe rețea. Cu ajutorul acesteia, modulul achiziționează date în modul offine (neavând conexiune la Internet pe parcursul întreruperii alimentarii cu curent electric a dispozitivelor măsurate). Evident, datele achiziționate ajută doar la determinarea momentului în care a existat pana de curent și la aprecierea momentului în care s-a reluat alimentarea de la priză.

Fig. 4.1 Bateria utilizată pentru alimentarea de urgență a modulului NodeMCU v3

Fig. 4.2 Componentele necesare alcatuirii proiectului

4.2 ESP8286 – Lolin NodeMCU v3

Platforma de dezvoltare folosită pentru scrierea codului în memoria microprocesorului ESP8266 este Arduino IDE.

Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino pune la dispoziția utilizatorilor un mediu de dezvoltare integrat (IDE) ce are la bază proiectul Processing, care include suport pentru limbaje de programare precum C și C++. [25]

4.2.1 Descriere generală. Specificații

NodeMCU este o platformă IoT open source. Termenul "NodeMCU" implicit se referă mai degrabă la firware decât la kiturile de dezvoltare. Firmware-ul folosește limbajul de script Lua. Se bazează pe proiectul eLua și este construit pe Espressif Non-OS SDK pentru ESP8266. Utilizează multe proiecte open source, cum ar fi lua-cjson și SPIFFS. La 30 decembrie 2013, Espressif Systems a început producția ESP8266.

NodeMCU a fost creat la scurt timp după apariția ESP8266. ESP8266 este un Wi-Fi SoC integrat cu un nucleu Tensilica Xtensa LX106.

Principala componentă a acestui dispozitiv este ESP8266 – un microchip Wi-Fi cu costuri reduse, cu stivă completă TPC/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol), având capacitate de microcontroler, produs de către Espressif Systems, din Shanghai, China.

Mai târziu în acea lună, Tuan PM a portat biblioteca de clienți MQTT de la Contiki la platforma SoC ESP8266, și s-a angajat la proiectul NodeMCU, atunci NodeMCU a reușit să sprijine protocolul MQTT IoT, folosind Lua pentru a accesa brokerul MQTT.

Chipul a intrat în atenția producătorilor occidentali în august 2014 cu modulul ESP-01, realizat de un producător terț Ai-Thinker. Acest mic modul permite microcontrolerelor să se conecteze la o rețea Wi-Fi și să realizeze conexiuni TCP / IP simple folosind comenzi în stil Hayes.

Cu toate acestea, la început nu exista aproape nicio documentație în limba engleză pentru acest chip. Prețul foarte mic, însă, dar și faptul că existau foarte puține componente externe pe modul, a atras foarte mulți hakeri să-l exploreze și să traducă documentația din limba chineză, în vederea reproducerii lui.

O altă actualizare importantă a fost făcută la 30 ianuarie 2015, când Devsaurus a adaugat un update prin care era perims cu ușurință modului NodeMCU să se conecteze la LCD, OLED, chiar VGA.

În vara 2015, creatorii au abandonat proiectul de firmware și un grup de colaboratori independenți l-a preluat. Până în vara anului 2016, NodeMCU a inclus mai mult de 40 de module diferite. Din cauza constrângerilor de resurse, utilizatorii trebuie să selecteze modulele relevante pentru proiectul lor și să construiască un firmware adaptat nevoilor lor.

Pe măsură ce Arduino a început să dezvolte noi placi bazate pe MCU, pe procesoare non-AVR, cum ar fi ARM / SAM MCU și utilizate în Arduino Due, au fost nevoiți să modifice IDE Arduino, astfel încât să fie relativ ușor să schimbați IDE-ul pentru a suporta alternative de instrumente pentru a permite compilarea Arduino C / C ++ pentru aceste noi procesoare.

Au făcut acest lucru cu introducerea directorului de bord și a nucleului SAM. Un „nucleu” este colecția de componente software necesare de către Board Manager și Arduino IDE pentru a compila un fișier sursă Arduino C / C ++ pentru limbajul mașinii MCU țintă.

Unii pasionați de ESP8266 au dezvoltat un nucleu Arduino pentru ESP8266 WiFi SoC, denumit în mod popular „nucleul ESP8266 pentru IDE Arduino”. Aceasta a devenit o platformă de dezvoltare software principală pentru diversele module bazate pe ESP8266 și plăci de dezvoltare, inclusiv NodeMCU. [26]

ESP8285 este un ESP8266 cu 1 MB de memorie flash încorporată, permițând printr-un singur chip conectarea dispozitivelor la Wi-Fi. Succesorul acestuia este ESP32, aparut pe piață în anul 2016.

Dispozitivul NodeMCU este disponibil în mai multe variante și versiuni, în cardul acestui proiect folosindu-se versiunea a treia.

Această versiune are un microcontroler denumit ESP8266, care conține un microprocesor pe 32 de biți cu arhitectură RISC (Reduced Instruction Set Computer), rulând la o frecvență de 80 MHz.

Memoria este împarțită astfel: 4 MB memeorie flash, 64 kB memorie SRAM

Standard-ul Wi-Fi este IEEE 802.11 b/g/n, de altfel tot în acastă direcție dispozitivul dispune de dipozitiv de amplificare a puterii, LNA (low-noise amplifier), securitate autentificare WEP (Wired Equivalent Privacy) sau WPA/WPA2 (Wi-Fi Protected Access), sau conectare fară autentificare, precum și alte protocoale.

În ceea ce privește dispunerea pinilor, regăsim Tx, Rx, 3 pini pentru alimentare la 3.3V, 4 pini GND, 2 pini RSV (reserved), RST (pin de reset), EN (chip enable), Vin (suportă o tensiune de alimentare externă de 5V), D0 – D8 (pini utilizați pentru scopuri generale – General Purpose Input Output Pins – GPIO), D5 – D8 (utilizați pentru comunicația SPI), D1, D2 (folosiți pentru comunicația I2C), SC sau CMD (Chip select – pinul pe care dispozitivul master îl poate utiliza în vederea activării sau dezactivării dispozitivelor cu care acesta comunică), SO sau SDO (Master In Slave Out – MISO – linia slave pentru transmiterea datelor spre master – comunicație SPI), SK sau CLK (SCK – Serial Clock – folosit pentru menținerea unei comunicații sincrone prin transmiterea datelor generate de către dispozitivul master – comunicație SPI), S1 sau SD1 (Master Out Slave In – MOSI – linia master utilizată pentru transmisia datelor către celelalte dispozitive periferice sau slave), S2 și S3 (GPIO), VU (VU SB – alimentare externă la 5V curent continuu), A0 (ADC – Analog Digital Convertor – convertor analog digital pe 10 biți). În ceea ce privește voltajul de operare acesta este de 3.3V.

Fig. 4.3 Dispunerea pinilor pe dispozitivul Wi-Fi NodeMCU V3

În figura de mai sus se poate observa dispunerea pinilor în cadrul plăcii de dezvoltare NodeMCU v3. [27]

Fig. 4.4 Dispozitivul NodeMCU v3 (ESP8266)

După cum se poate observa în figura de mai jos, NodeMCU v3 LoLin (cu modul integrat ESP8266), dispune de protocoale de comunicație cu toate modulele aferente implicate în procesul de măsurare, transmisie și achizitie a datelor.

Acestea comunică cu modul NodeMCU în următorul fel:

cu modulul RTC prezintă o comunicație de tipul I2C fiind utilizați următorii pini: GND, VCC, SDA (pinul D4), SCL (pinul D3)

cu modulul microSD prezintă o comunicație de tipul SPI, fiind folosiți următorii pini: SCK (pinul D5), MISO (pinul D6), MOSI (pinul D7), CS (pinul D8)

cu convertorul MAX485 TTL prezintă o comunicație serială, folosindu-se pinii D0, D1, D2

cu contorul electric digital, prezintă o comunicație serială, prin intermediul convertorului MAX485 TTL, care convertește modul de comunicație RS485 la mdoul de comunicație serial

Fig. 4.5 Protocoalele de comunicație a dispozitivului NodeMCU v3 cu celelalte dispozitive angrenate în achiziția și prelucrarea datelor

Fig. 4.6 Modul de conectare a dispozitivului NodeMCU la celealte dispozitive

4.2.2 Mediu de lucru (IDE) și fundamente de dezvoltare

Mediul de dezvoltare (IDE-ul) reprezintă cea de-a doua parte deosebit de importanță, pe lângă partea hardware, în realizarea proiectelor, în cazul de față am folosit mediul de dezvoltare open-source oferit de către Arduino.

Programele Arduino pot fi scrise în orice limbaj de programare cu un compilator capabil să producă un cod mașină binar. Atmel oferă un mediu de dezvoltare pentru microcontrolerele sale, AVR Studio și mai nou, Atmel Studio.

Proiectul Arduino oferă un mediu integrat de dezvoltare (IDE), care este o aplicație cross-platform, scrisă în Java. Originile platformei, însă, sunt limbajul de programare Processing și în proiectul Wiring.

Codul este mult mai accesibil din punct de vedere al scrierii, fiind user-friendly, ajutând foarte mult programatorii nefamiliarizați cu dezvoltarea software.

Programul include un editor de cod cu funcții precum evidențierea sintaxelor, potrivirea acoladelor, dar și spațierea automată, oferă mecanisme utile și simple prin intermediul unui singur click. Este utilizat nu doar pentru compilarea și scrierea programelor, dar și pentru transferul programelor în plăcuțele Arduino.

Un program scris în IDE-ul Arduino, poartă denumirea de sketch.

Fig. 4.7 Arduino IDE

Deasemenea, Arduino IDE, suportă limbajele de programare C și C++, utilizând reguli speciale de scriere și gestionare a codului. Arduino IDE pune la dispoziția utilizatorilor o librărie software Wiring, unde sunt prezentate coduri comune de intrare și ieșire.

Un sketch simplu, scris în C/C++ conține două funcții predefinite care sunt compilate prezintă legătură cu o funcție main(), totul realizându-se într-un program executabil cu o execuție ciclică:

setup() – reprezintă o funcție apelată o singură dată la începutul programului, atunci când se inițializează setările

loop() – funcție a cărei apelare se realizează repetat până la oprirea alimentării dispozitivului utilizat

Arduino este o platformă hardware open-source: referințele de design pentru Arduino sunt distribuite sub licența Creative Commons Attribution Share-Alike 2.5 și sunt disponibile pe site-ul Arduino. Schemele și fișierele de producție sunt și ele disponibile. Codul sursă pentru IDE este disponibil sub GNU General Public License, versiunea 2. [28]

4.3 Modul RTC – DS3231

Un ceas de timp real (RTC) este un ceas de calculator (cel mai adesea sub forma unui circuit integrat).

Deși termenul se referă adesea la dispozitivele din computerele personale, serverele și sistemele încorporate, RTC-urile sunt prezente în aproape orice dispozitiv electronic care trebuie să păstreze cu precizie ridicată ora și data.

Un RTC comun folosit în computerele cu o singură placă (SBC – Single Board Computer) este DS1307.

Pentru acest proiect s-a folosit un RTC de tipul DS3231. Termenul "ceas în timp real" este folosit pentru a diferenția ceasurile hardware de cele comune. RTC nu trebuie confundat cu calculul în timp real, care împarte acronimul său de trei litere, dar nu se referă direct la ora din zi.

Deși afișarea timpului poate fi făcută și prin alte moduri față de utilizarea unui RTC, totuși folosirea acestuia constituie anumite avantaje și anume:

prezintă un consum redus de energie electrică

eliberează sistemul în vederea prioritizării task-urilor principale

uneori este o metodă mai precisă

RTC-urile au adesea o sursă alternativă de alimentare, astfel încât acestea pot continua să contorizeze timpul chiar și în cazul în care principala sursă de alimentare este oprită sau indisponibilă. Această sursă alternativă de alimentare poate fi o baterie pe bază de litiu, în cadrul sistemelor de măsură a timpului, mai vechi, sau poate să fie un super-condensator. Aceste super-condensatoare sunt reîncărcabile sau lipite în serie. Sursa alternativă de alimentare poate furniza de asemenea energie pentru memoria RAM cu baterie. [29]

În figura 4.8 este reprezentat un modul RTC de precizie – DS3231, al cărui standard de conexiune este reprezentat de I2C.

Fig. 4.8 Modulul de precizie RTC – DS3231

Acest modul este cel mai precis de pe piață, la momentul actual, fiind extrem de rezistent la schimbări de temperatură. Are nevoie de o baterie CR2032.

RTC păstrează informații secunde, minute, ore, zi, dată, lună și an. 31 de zile, inclusiv corecțiile pentru anul de salt. Ceasul funcționează fie în formatul de 24 de ore, fie în cel de 12 ore, cu un indicator activ AM / PM activ. Sunt furnizate două alarme programabile din timpul zilei și o ieșire programabilă de undă pătrată. Adresa și datele sunt transmise în mod serial prin intermediul magistralei bidirecționale I2C.

Un circuit de referință de tensiune compensat la temperatură de precizie și un circuit de comparare monitorizează starea VCC pentru a detecta defecțiunile de alimentare și pentru a furniza o ieșire de siguranță atunci când este necesar. În plus, pinul activ RST este monitorizat ca o intrare pushbutton pentru generarea unei resetări din microprocesor.

Dispozitivul încorporează o intrare a bateriei și menține o întreținere precisă. Integrarea rezonatorului de cristal îmbunătățește precizia pe termen lung a dispozitivului.

RTC-ul contorizează secundele, minutele, orele, data lunii, luna anului și anul, cu o compensare de la jumătate de an, valabilă până la 2100 , are o precizie de ± 2ppm de la 0 ° C la + 40 ° C, aceasta urmând să scadă nesemnificativ, ajungând la ± 3,5ppm de la -40 ° C la + 85 ° C, un senzor digital de ieșire de temperatură, cu o precizie de ± 3 ° C, ieșire activă-redusă RST / Buton de resetare a debitului de intrare, două alarme de zi cu zi, semnal de ieșire programabil de undă pătrată, interfața simplă de serie se conectează la majoritatea microcontrolerelor, interfață rapidă (400 kHz) I2C, intrare de rezervă a bateriei pentru o menținere continuă a timpului, chiar și fără alimentare de la o sursă externă, funcția de alimentare cu descărcare prelungește durata de funcționare a bateriei de rezervă, funcționează la 3.3V – 5V, intervale de temperatură de funcționare: comerciale (0 ° C până la + 70 ° C) și industriale (-40 ° C până la + 85 ° C).[30]

Fig. 4.9 Structura internă – schema de principiu a modulului RTC – DS3231

Majoritatea RTC-urilor folosesc un oscilator de cristal, dar unele utilizează frecvența liniei electrice. În multe cazuri, frecvența oscilatorului este de 32,768 kHz. Aceasta frecvență este folosită și în cadrul cesurilor cu cuarț, frecvența fiind echivalentă 215 cicluri pe secundă. Aceasta este o rată convenabilă utilizată în cadrul circuitelor simple cu logică binară.

Multe RTC-uri comerciale au o precizie de până la mai puțin de 5 părți per milion. [29]

RTC-ul folosit are rolul de a transmite informațiile referitoare la dată (în formatul an/luna/zi/ora/minut/secundă), plăcii ESP8266, care prin intermediul codului utilizat permite stocarea, precum și vizualizarea atât în cadrul log-urilor afișate pe server, cât prin intermediul celor salvate pe cardul microSD, împreună cu celelalte date transmise de către modulul de măsurare (contorul digital).

Acest lucru este benefic, deoarece se realizează o statistică în funcție de timp a parametrilor măsurați. Astfel, în cazul în care se dorește o analiză a datelor să se aibă o evidență clară asupra timpului în care acestea s-au realizat.

4.3.1 Standardul I2C.

Bus-ul I2C a fost proiectat de Philips la începutul anilor 80 pentru a permite o comunicație ușoară între componentele care se află pe aceeași placă de circuit.

Numele I2C se traduce în "Inter IC", mai poartă denumirea de IIC sau I²C.

Viteza de comuniație originală este definită ca maxim 100 Kb/s și multe aplicații nu necesită transmisii mai rapide. Modul rapid este de 400 Kb și – din 1998 – o opțiune de mare viteză de 3,4 Mb a devenit disponibilă. Dincolo de aceasta, există UFM ultrafast mode, dar nu este chiar un standard I2C real.

I2C nu este utilizat pe module unice, ci pentru conectarea componentelor care sunt conectate prin cablu. Simplitatea și flexibilitatea sunt caracteristici cheie care-l fac atractiv pentru multe aplicații.

Cele mai importante caracteristici includ:

sunt necesare numai două linii de transmisie (master – slave)

nu există cerințe stricte privind rata baudului (rata de transfer a datelor), ca în cazul RS232 (comunicație serială), master-ul impune viteza de clock

există relații simple de tipul master / slave între toate componentele

fiecare dispozitiv conectat la magistrală este un software adresabil printr-o adresă unică

standardul I2C este un adevărat multi-master oferind arbitrare și detecție a coliziunilor

Standardul I2C transmite date prin intermediul a doua linii de transmisie SDA (Serial Data Line) și SCL (Serial Clock Line), acestea fiind de tipul open-drain (adică cu colectorul „în aer”- în gol). Rezistorul de terminare Rp permite liniei să ajungă la valoarea VCC (valoarea tensiunii de alimentare), în cazul în care niciun dispozitiv nu comunică prin intermediul standardului.

Împreună cu capacitatea Cp, rezistorul de terminare Rp afectează comportamentul temporal al semnalelor SDA și SCL. Rp variază de la 1 kΩ la 10 kΩ, rezultând curenți tipici de aproximativ 1 mA și mai puțin. Acesta este motivul pentru aspectul caracteristic de tip „dinți de fierestrău” al semnalelor I2C. De fapt, fiecare „dinte” reprezintă sarcina caracteristică a liniei de pe frontul crescător și caracteristica de descărcare de pe frontul descrescător. [31]

Fig. 4.10 Fronturile de undă a comunicației I2C – partea de sus fiind reprezentată de semnalul SDA, iar partea de jos de semnalul SLC

O magistrală serială de tip I2C permite interconectarea componentelor unui microsistem: microcontrolere, memorie de program (EPROM), memorie de date (SRAM), convertoare A/D (Analog – Digitale) și D/A (Digital – Analogice), precum și alte dispozitive periferice. Această magistrală înlocuiește o magistrală clasică de sistem, care are un număr relativ mare de linii de adresă, date și control. Utilizarea unei magistrale seriale reduce semnificativ costurile de cablaj și timpul de realizare a unor prototipuri. Este soluția ideală pentru realizarea unor sisteme încapsulate bazate pe microcontrolere.

Dezavantajul utilizării unei astfel de magistrale este reducerea semnificativă a vitezei de comunicație între componentele sistemului. Acest dezavantaj este diminuat în cazul microcontrolerelor la care majoritatea componentelor se află în același circuit integrat ( unitate centrală, memorie ROM, memorie RAM, porturi de intrare/ieșire, etc.) și numai anumite componente specifice aplicației (ex : convertoare), trebuie să comunice cu ajutorul magistralei seriale.

Pe magistrala I2C transmisia este serială sincronă. Se utilizează un semnal separat de ceas alături de semnalul de date. Circuitele de emisie sunt cu colector în gol, ceea ce permite conectarea pe același semnal a mai multor ieșiri de circuit.

Fig. 4.11 Modul de conectare a mai multor ieșiri pe magistrala I2C

Pe magistrala se pot conecta module master (care au drept de inițiativă în transferul de date) și module slave (care pot fi interogate de modulele master). Un modul master poate să inițieze un transfer dacă magistrala este liberă. În cazul în care două unități master inițiază simultan un transfer de mesaj, atunci va avea câștig de cauză mesajul a cărui prioritate este mai mare. [32]

Primul octet al transferului I2C conține adresa slave și direcția de date.

Adresa este de 7 biți, urmată de bitul de direcție. La fel ca la toate tansmisiile pentru octeții de date, adresa este transferată mai întâi de la cel mai semnificativ bit.

Un spațiu de adrese pe 128 de biți permite teoretic 128 adrese I2C – cu toate acestea, unele adrese sunt rezervate pentru scopuri speciale. Astfel, sunt disponibile doar 112 adrese cu schema de adrese de 7 biți. Pentru a scăpa de această este deficiență, se utilizează o metodă specială pentru folosirea adreselor de 10 biți.

Fig. 4.12 Modul de transmisie a datelor prin intermediul standardului I2C

Termenul "interfață I2C" se referă de obicei la mijloacele de conectare la magistrala I2C la un PC. Cu toate acestea, există cu siguranță și alte interfețe I2C care asigură conectivitate pentru aceste dispozitive utilizate în general pentru dispozitive diferite de PC-uri.

Logica I2C, cum ar fi Connii MM 2.0 sau Tracii XL 2.0, este o interfață alternativă mult mai fiabilă și puternică. Aceste dispozitive conectate prin USB, pe lângă faptul că pot funcționa în modul multi-master, ele oferă o serie de funcții suplimentare importante și utile. Din moment ce comunică cu software-ul PC-ului într-un mod mult mai eficient decât rata de transfer, viteza de transfer este mult mai mare, iar sarcina pe PC este mult mai mică. [31]

Deoarece porturile seriale sunt asincrone, dispozitivele ce utilizează porturile seriale trebuie să conțină ceasuri ce au o rată apropiată de transmisie a datelor și au comunicarea UART la bază, un tip de comunicare complex și dificil de implementat.

Un alt minus în acest tip de comunicație este acela că, este permisă doar între două dispozitive. Chiar dacă este posibil să conectam mai multe dispozitive la un singur port serial, apar conflicte ("bus contention"), deoarece două dispozitive tind să transmită date pe aceeasi linie, în acelasi timp.

În cele din urmă, rata de trasfer a datelor reprezintă o problemă. Teoretic, nu este nicio limită în comunicația serială asincronă, dar practic în comunicația UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter – dispozitiv universal de transmisie – recepție), dispozitivele suportă o rată de transfer fixă, cea mai mare fiind de aproximativ 230400 biți/secundă.

Fig. 4.13 Limitările transmisiei seriale – comunicație permisă doar între două dispozitive

Cel mai mare minus pe care îl are un SPI este numarul mare de pini de care este nevoie. Pentru conectarea unui singur "master" cu un singur "slave" la un bus SPI, este nevoie de 4 linii, iar fiecare "slave" pe care-l conectam după, necesită un cip adițional ce selectează un pin I/O de pe dispozitivul folosit ca "master". Prin urmare, în acest tip de comunicație este posibilă conectarea mai multor dispozitive "slave" la un singur dispozitiv "master", dar cu toate acestea, din cauza numărului mare de pini utilizați, transmiterea semnalelor este dificilă.

SPI este totuși folosit datorită implementării ușoare și a ratei de transmitere a datelor ( transmisie și recepție simultană), prin conexiunea full-duplex, suportând o rată de transmisie de 10 milioane de biți/secundă.

Fig. 4.14 Realizarea comunicației prin intermediul SPI (Serial Peripheral Interface)

I2C necesită două fire, precum comunicația serială asincronă, cu diferența că acest tip de comunicație poate suporta până la 1008 dispozitive de tip "slave". Mai mult decât atât, în comunicația de tip I2C pot există mai multe dispozitive de tip "master" la un bus, lucru nepermis în comunicația SPI.

Rata de transfer a datelor nu este foarte bună, fiind asemănătoare cu cea de la portul serial. Cele mai multe dintre I2C-uri comunică cu o rată de transmisie cuprinsă între 100kHz și 400kHz.

În ceea ce privește implementarea, aceasta este mai complexă decât în cazul utilizării SPI, dar mult mai ușoară decât în cazul comunicației asincrone, cu UART.

Fig. 4.15 Comunicația I2C

Foarte mulți senzori utilizează I2C pentru a comunica, cum ar fi: barometrele, senzorii de temperatură, sonarele. Este de precizat faptul că interfețele I2C nu sunt destinate pentru cabluri cu lungime mare, în general cablurile de peste 2 metri putând cauza probleme.

I2C este un tip de comunicație complex, dar foarte folositor. [33]

4.3.2 Interfața fizică RTC – NodeMCU v3

Practic vorbind, referindu-ne la proiectul de față, comunicația prin intermediul I2C a fost utilă pentru implementarea comunicației între NodeMCU v3 Lolin (ESP 8266) și RTC (Real Time Controller).

Interfața fizică pe care o realizează modulul RTC cu modulul MCU v3, este reprezentată prin intermediul conexiunii realizate prin pini SDA – D4 și SCL – D3. Ceilalți doi pini ai RTC-ului conectându-se la GND, respectiv la +5V. Acest lucru se poate observa în figura de mai jos, realizată prin intermediul programului de simulare numit Fritzing.

După cum spuneam, interfața este asigurată de standardul I2C.

Fig. 4.16 Modul de realizare a conexiunii unui RTC la NodeMCU v3

4.3.3 Setarea și citirea valorilor de timp și dată

RTC-ul folosit, DS3231 este un ceas de timp real, cu precizie ridicată, care poate afișa orele, minutele și secundele, precum și informații despre zi, lună și an. De asemenea, are o compensație automată pentru anii bisecți și pentru luni cu mai puțin de 31 de zile.

Modulul poate funcționa fie la 3.3, fie la 5 V, ceea ce îl face potrivit pentru multe platforme de dezvoltare sau microcontrolere. Intrarea bateriei este de 3V, iar o baterie tipică CR2032 3V poate alimenta modulul și poate menține informațiile mai mult de un an.

Odată conectat, modulul RTC trebuie programat prin intermediul plăcii de dezvoltare Arduino Mega 2560 R3. Cu toate acestea, când vine vorba de programarea unei comunicări între Arduino și un modul I2C, codul nu este atât de mic și ușor. Din fericire, există deja câteva biblioteci pentru DS3231 RTC care pot fi găsite pe Internet.

Pentru acest proiect am ales să folosesc Biblioteca implementată de către Henning Karlsen, care poate fi găsită și descărcată de pe site-ul său, www.rinkydinkelectronics.com.

Deci, odată descărcată și instalată biblioteca, se poate folosi primul exemplu demo pentru a activa inițial ceasul modulului RTC. În secțiunea de configurare a codului exemplului demo, putem observa că există trei linii ce trebuie dezactivate pentru a seta inițial ziua săptămânii, ora și data. [34]

Codul utilizat pentru RTC, nu doar afișază informațiile referitoare la dată și timp pe ecran ci le și reține pe microSD, de unde se scriu în format .CSV. După scriere, aceste date pot fi accesate oricând în vederea analizării și prelucrării.

4.4 Modbus RTU

O unitate terminală de la distanță (RTU) este un dispozitiv electronic controlat prin microprocesor, care interfețează obiecte din lumea fizică cu un sistem de control distribuit sau un sistem SCADA (control de supraveghere și achiziție de date) prin transmiterea datelor de telemetrie către un sistem principal și prin folosirea mesajelor de la sistemul de supraveghere principal pentru controlul obiectelor conectate. Alți termeni care pot fi folosiți pentru RTU sunt unitatea de telemetrie de la distanță și unitatea de telecontrol la distanță. [35]

Modbus este un protocol de comunicații seriale publicat inițial de Modicon (acum Schneider Electric) în 1979 pentru utilizare cu controlerele logice programabile (PLC).

Modbus a devenit un protocol de comunicare standard de facto și este acum un mijloc disponibil frecvent pentru conectarea dispozitivelor electronice industriale.

Este popular în mediile industriale, deoarece este un protocol de comunicație public, ce poate fi utilizat de către oricine dorește, nefiind un protocol protejat de drepturile de autor.

A fost dezvoltat pentru aplicații industriale, este relativ ușor de implementat și de întreținut în comparație cu alte standarde și plasează puține restricții, acestea din urmă fiind legate de dimensiunea datelor, în formatul în care trebuie transmise.

Modbus permite comunicarea între mai multe dispozitive conectate la aceeași rețea, de exemplu, un sistem care măsoară temperatura și umiditatea și comunică rezultatele către un computer.

Acest protocol este adesea utilizat pentru a conecta un computer de supraveghere cu o unitate terminală de la distanță (RTU) în sistemele de control de supraveghere și achiziție de date (SCADA).

Dezvoltarea și actualizarea protocoalelor Modbus a fost gestionată de Organizația Modbus, încă din aprilie 2004.

Versiuni ale protocolului Modbus există pentru portul serial și pentru Ethernet și alte protocoale care acceptă suita de protocoale Internet. Există multe variante de protocoale Modbus:

Modbus RTU – Acesta este utilizat în comunicația serială și folosește o reprezentare compactă, binară a datelor pentru comunicarea protocolară.

Formatul RTU urmărește comenzile / datele cu un control de verificare redundanță ciclică ca un mecanism de verificare a erorilor pentru a asigura fiabilitatea datelor. Modbus RTU este cea mai comună implementare disponibilă pentru Modbus. Un mesaj Modbus RTU trebuie transmis în mod continuu, fără ezitări între device-uri. Mesajele Modbus sunt încadrate (separate) prin perioade de repaus.

Modbus ASCII – Acesta este utilizat în comunicarea în serie și folosește caractere ASCII pentru comunicarea protocolară. Formatul ASCII utilizează un control al redundanței longitudinale. Mesajele Modbus ASCII sunt încadrate de către principalul punct (":") și noua linie (CR / LF).

Modbus TCP / IP sau Modbus TCP – Aceasta este o variantă Modbus folosită pentru comunicațiile prin rețelele TCP / IP, care se conectează prin portul 502. Nu necesită un calcul al sumei de control, deoarece straturile inferioare oferă deja protecție împotriva sumei de control (verificarea mesajului trimis între dispozitive).

Modbus over TCP / IP sau Modbus over TCP sau Modbus RTU / IP – Aceasta este o variantă Modbus care diferă de Modbus TCP prin faptul că un checkum este inclus în sarcina utilă, ca în cazul Modbus RTU.

Modbus over UDP – Unii au experimentat folosind Modbus peste UDP în rețelele IP, ceea ce înlătură surplusurile necesare pentru TCP.

Modbus Plus (Modbus +, MB + sau MBP) – Modbus Plus este proprietar al Schneider Electric și spre deosebire de celelalte variante, acceptă comunicații peer-to-peer între mai multe unitați master. Este nevoie de un co-procesor dedicat pentru a gestiona o rotație rapidă a jetonului asemănător HDLC. Utilizează o pereche răsucită la 1 Mbit / s și include izolarea transformatorului la fiecare nod, ceea ce face ca tranziția / declanșarea muchiei să fie declanșată în loc de tensiune / nivel declanșat. Este necesar un hardware special pentru conectarea Modbus Plus la un computer, de obicei un card realizat pentru magistrala ISA, PCI sau PCMCIA.

Pemex Modbus – Aceasta este o extensie a standardului Modbus cu suport pentru date istorice și fluxuri. A fost proiectat pentru compania de petrol și gaze Pemex pentru a fi utilizat în controlul proceselor și nu a obținut niciodată o adopție pe scară largă.

Enron Modbus – Aceasta este o altă extensie a modbusului standard dezvoltat de Enron Corporation cu suport pentru variabile întregi și în virgulă flotantă (mobilă) pe 32 de biți și date istorice și de flux. Tipurile de date sunt mapate folosind adrese standard. Datele istorice servesc pentru a îndeplini un standard industrial al API-ului American Petroleum Institute (API) pentru modul în care datele ar trebui stocate.

Fiecare dispozitiv destinat să comunice folosind Modbus primește o adresă unică. În rețelele seriale și MB +, numai nodul atribuit ca Master poate iniția o comandă. Pe Ethernet, orice dispozitiv poate trimite o comandă Modbus, deși numai un dispozitiv principal face acest lucru.

O comandă Modbus conține adresa Modbus a dispozitivului pentru care este destinată (1 la 247). Doar dispozitivul intenționat va acționa asupra comenzii, chiar dacă alte dispozitive ar putea să o primească (o excepție sunt comenzile difuzabile specifice trimise la nodul 0, care sunt acționate, dar nu sunt recunoscute). Toate comenzile Modbus conțin informații despre sumă de control pentru a permite destinatarului să detecteze erori de transmisie. Comenzile Modbus de bază pot instrui un RTU să schimbe valoarea într-unul din registrele sale, să controleze sau să citească un port de I / O și să comande dispozitivul să trimită înapoi una sau mai multe valori conținute în registrele sale.

Există multe modemuri și gateway-uri care acceptă Modbus, deoarece este un protocol foarte simplu și adesea copiat. Unele dintre ele au fost proiectate special pentru acest protocol.

Diferitele implementări utilizează comunicații fără fir, comunicații fără fir, cum ar fi în banda ISM și chiar Serviciul de mesaje scurte (SMS) sau Serviciul radio general de pachete (GPRS). Problemele tipice pe care proiectanții trebuie să le depășească includ probleme de latență ridicată și de timp.

Un „cadru” Modbus constă dintr-o unitate de date pentru aplicații (ADU), care încapsulează o unitate de date de protocol (PDU):

ADU = Adresă + PDU + Verificare eroare

PDU = Cod funcție + Date

Aproape toate implementările au variații față de standardul oficial. S-ar putea ca în diferite situații, să nu comunice corect între echipamentele diferitor furnizori. Unele dintre cele mai frecvente variații sunt legate de tipurile de date și de extensia protocoalelor.

Întrucât Modbus a fost proiectat la sfârșitul anilor '70 pentru a comunica cu controlerele logice programabile, numărul tipurilor de date este limitat la cele înțelese de automate automate la acea vreme. Obiectele binare mari nu sunt acceptate.

Nu există nicio modalitate standard pentru un nod de a găsi descrierea unui obiect de date, de exemplu, pentru a determina dacă o valoare de registru reprezintă o temperatură cuprinsă între 30 și 175 de grade.

Întrucât Modbus este un protocol master / slave, nu există nicio cale ca un dispozitiv de câmp să „raporteze prin excepție” (cu excepția TCP / IP Ethernet, numit open-mbus) – nodul principal trebuie să interzică în mod regulat fiecare dispozitiv și să caute modificări în date. Aceasta consumă lățimea de bandă și timpul de rețea în aplicațiile în care lățimea de bandă poate fi scumpă, cum ar fi o legătură radio cu rată mică de biți.

Modbus este restricționat la adresarea a 254 de dispozitive pe o singură legătură de date, ceea ce limitează numărul de dispozitive de câmp care pot fi conectate la o stație principală (încă o dată, Ethernet TCP / IP fiind o excepție).

Transmisiile Modbus trebuie să fie contigue, ceea ce limitează tipurile de dispozitive de comunicații la distanță la cele care pot memora date pentru a evita lacunele în transmisie.

Protocolul Modbus în sine nu oferă nici o securitate împotriva comenzilor neautorizate sau a interceptării datelor. [36]

4.5 Convertorul MAX485 si RS485

Modulul RS485 la TTL (compatibil cu standardul EIA-485) este destinat comunicațiilor de frecvența mare a vitezei de transmisie a datelor. Rețelele de comunicații digitale implementează standardul EIA-485, pot fi utilizate eficient pe distanțe lungi și în medii cu zgomot electric. Receptoarele multiple pot fi conectate la o astfel de rețea într-o configurație liniară. Aceste caracteristici fac astfel de rețele utile în medii industriale și aplicații similare.

Caracteristici tehnice:

Tensiune de lucru: 5V

Dimensiune: 44mm x 14mm

Cu borne de 5.08 (mm) pentru conectare ușoară

4-pini cu înălțime de 2,54 mm (0,1 ") pentru RS485 și alimentare

4-pini cu înălțime de 2,54 mm (0,1 ") pentru semnal DI,DE,RE,RD

LED pentru a indica starea modulului [37]

Fig. 4.17 Convertorul MAX485 TTL

Cele două borne verzi (A și B) se conectează la bornele Contorului Digital electric, de unde se aduc date prin intermediul protocolului RS485. Pe langă cele două borne, convertorul prezintă două parți cu câte 4 pini. Pinii din exterior, din partea cu conexiunea RS485, sunt VCC si GND, care se conectează la modului NodeMCU pe aceeași pini. Pinii din partea opusa, cei pentru semnal, se conectează astfel: RD – la pinul D2 al NodeMCU, RE și DE – la pinul D0 și DI – la pinul D1.

MAX485 este transceiver de putere redusă pentru comunicarea RS-485 și RS422. Rata de transfer a datelor pentru microchip-ul MAX485 nu este limitată, permițând transferul lor, până la viteza de 2,5 Mbps. Acest transceiver atrage între 120 uA și 500 uA curent de alimentare când este descărcat sau complet încărcat cu drivere dezactivate. Toate piesele funcționează prin intermediul unei singure alimentări, de 5V.

MAX485 este proiectat pentru aplicații semi-duplex. Permite până la 32 de receptoare pe magistrală, 3 stări pe intrare, întârziere de propagare de 30 ns, prezintă limitare de curent și protecție la suprasarcină, ieșirile transmițătorului și intrările receptorului sunt protejate la ± 15kV Air ESD.[38]

Fig. 4.18 Microchip-ul MAX 485 și dispunerea pinilor

RS-485, cunoscut și sub denumirea de TIA-485 (-A) sau EIA-485, este un standard care definește caracteristicile electrice ale driverelor și receptoarelor pentru utilizare în sistemele de comunicații seriale.

Semnalul elecric fiind echilibrat, sistemele multipoint sunt acceptate.

Standardul este publicat în comun de Asociația Industriei Telecomunicațiilor și Alianța Industriilor Electronice (AIA / EIA).

Rețelele de comunicații digitale care implementează standardul pot fi utilizate eficient pe distanțe lungi și în medii zgomotoase electric.

Mai mulți receptori pot fi conectați la o astfel de rețea într-un bus liniar multidrop.

Aceste caracteristici fac RS-485 utilă în sistemele de control industrial și în aplicații similare.

RS-485 acceptă rețele locale ieftine și legături de comunicații multidrop, folosind aceeași semnalizare diferențială peste pereche răsucită ca RS-422. În general, este acceptat faptul că RS-485 poate fi utilizat cu viteze de date de până la 10 Mbit / s, sau la viteze mai mici, pe distanțe de până la 1.200 m .

De regulă, viteza în biți / s înmulțită cu lungimea în metri nu trebuie să depășească 108. Astfel, un cablu de 50 de metri nu ar trebui să transmită date, mai rapid de 2 Mbit / s.

Spre deosebire de RS-422, care are un circuit de driver care nu poate fi oprit, driverele RS-485 folosesc o logică cu trei stări, permițând dezactivarea emițătorilor individuali.

Acest lucru permite RS-485 să implementeze topologii liniare de magistrală, folosind doar două fire.

Echipamentele amplasate de-a lungul unui set de fire RS-485 sunt numite în mod interschimbabil noduri, stații sau dispozitive.

Dispunerea recomandată a firelor este ca o serie conectată de noduri punct-la-punct (multidropate), adică o linie sau o magistrală, nu o stea, un inel sau o rețea conectată multipliu.

Topologiile cu stea și inel nu sunt recomandate din cauza reflectărilor semnalului sau a unei impedanțe de terminare excesiv de mici sau mari. Dacă o configurație de stea este inevitabilă, sunt disponibile repetoare speciale RS-485 care ascultă în mod birecțional datele pentru fiecare interval și apoi retransmite datele pe toate celelalte intervale.

În mod ideal, cele două capete ale cablului vor avea o rezistență de terminare conectată între cele două fire. Fără rezistențe de terminație, reflectiile semnalului de pe capătul neterminat al cablului pot provoca corupția datelor. Rezistențele de terminare reduc, de asemenea, sensibilitatea la zgomot electric datorită impedanței mai scăzute.

Valoarea fiecărei rezistențe de terminație trebuie să fie egală cu impedanța caracteristică a cablului (de obicei, 120 ohmi pentru perechi răsucite).

EIA a etichetat o dată toate standardele sale cu prefixul „RS” (Standard recomandat), dar EIA-TIA a înlocuit oficial „RS” cu „EIA / TIA” pentru a ajuta la identificarea originii standardelor sale.

EIA s-a desființat oficial, iar standardul este acum menținut de TIA ca TIA-485, dar inginerii și ghidurile de aplicații continuă să folosească desemnarea RS-485. Ediția inițială a EIA RS-485 a fost datată din aprilie 1983.

Adesea într-un aranjament master-slave, atunci când un dispozitiv, maestrul, inițiază toate activitățile de comunicare. În această configurație, dispozitivul principal este de obicei localizat de-a lungul setului de fire RS-485, cu două dispozitive slave situate la capetele fizice ale firelor care asigură terminarea.

RS-485 nu definește un protocol de comunicare; doar o interfață electrică. Deși multe aplicații folosesc niveluri de semnal RS-485, viteza, formatul și protocolul de transmitere a datelor nu sunt specificate de RS-485. Interoperabilitatea chiar și a dispozitivelor similare de la diverși producători nu este asigurată doar de respectarea nivelurilor de semnal. [39]

Modulul Max TTL485, are rolul de a interfața comunicația dintre contorul digital electric – cu posibilitate de măsurare pe o singură fază (DDS238-2 ZN/S) și Node MCU v3 (ESP 8266).

Datorită faptului că Node MCU v3, comunică serial, iar contorul digital electric, comunică prin intermediul protocolului RS-485, a fost nevoie de acest modul (Max485la TTL).

De asemenea, rata de transfer fiind diferită pentru cele două module, Node MCU v3 având o rată de transfer prin intermediul portului serial, mai mare (115200), iar contorul digital electric, o rată de transfer mai mică (9600), au fost necesare adaptări prin intermediul codului utilizat, pentru a ajunge la un numitor comun, pentru a nu exista pierderi de date.

4.6 Implementarea serverului web.

Accesarea serverului web pentru acest proiect s-a realizat prin intermediul conexiunii Wi-Fi, prin intermediul unui host local.

Wi-Fi este numele pentru tehnologiile ce au la bază standardul de comunicație din familia IEEE 802.11, utilizate în vederea realizării de rețele locale de comunicație – LAN (Local Area Network), fără fir – wireless (WLAN), la viteze de transmisie egale cu ale rețelelor cu fir electric de tip Ethernet. Sistemul Wi-Fi este suportat de diverse dispozitive hardware.

Standardul IEEE 802.11 descrie protocoale de comunicație aflate la nivelul gazdă – rețea al modelului TCP/IP.

De asemenea, standardul Wi-Fi se află la nivelurile fizic și legătură de date ale Stivei OSI (Open System Interconnecțion). Acest lucru înseamnă că standardul IEEE 802.11 trebuie să primească pachete de la protocoalele de la nivelul de rețea, adică IP și să le transmită evitând coliziunile ce ar putea să apară.

Limitările standardului provin din mediul fără fir folosit, care face ca rețelele IEEE 802.11 să fie mai lente decât cele cablate, de exemplu Ethernet, dar și din folosirea benzii de frecvență de 2,4 GHz, împărțită în 12 canale care se suprapun parțial două câte două. Limitările date de consumul mare de energie, precum și de reglementările privind puterea electromagnetică emisă, nu permit arii de acoperire mai mari de câteva sute de metri, mobilitatea în cadrul acestor rețele fiind restrânsă. [40]

În vederea realizării conexiunii la rețea am folosit modulul Node MCU v3, acesta avand integrat un modul Wi-fi.

După deschiderea unui browser și navigarea la adresa IP prin intermediul căreia se realizează conexiunea, se deschide site-ului web creat.

La navigarea la adresa IP, browserul web (clientul) va trimite la server o solicitare în vederea preluării datelor ce urmează a fi comunicate, în cazul acesta datele preluate de la dipozitivul de măsurare.

Informațiile din cerere vor diferi, în funcție de browserul și sistemul de operare la care este trimisă cererea.

După primirea solicitării unei pagini web de la client, se reazlizează o conexiune HTTP standard, apelandu-se scriptul JS și fișierul de tip .html denumit index.html, memorate pe cardul MicroSD.

După ce serverul a trimis răspunsul HTTP, acesta trimite pagina web reală care este afișată apoi în browser.

Pagina web constă din text cu etichete HTML, scripturi JS și elemente de design (bootstrap și CSS). Aceste etichete din browser nu se pot vedea deoarece sunt interpretate de browser.

4.6.1 Modulul microSD.

Modulul adaptor microSD a fost utilizat în vederea achiziției valorilor primite prin intermediul masurărilor realizate cu ajutorul contorului digital. Achiziția datelor se face pe cardul microSD, acesta fiind inserat în interiorul slotului prezent pe adaptor.

Fig. 4.19 Adaptorul microSD

Caracteristicile acestui adaptor sunt următoarele:

suportă card MicroSD, dar si card MicroSDHC (High Speed Card – card cu o rată mare de transfer a datelor)

are un nivel de conversie de 5V sau 3.3V

tensiunea de alimentare este cuprinsă între 4.5 – 5.5V, sau 3.3V – circuit regulator de tensiune

standardul de comunicație este SPI

prezintă 4 găuri de montare prin intermediul unor suruburi de tip M2 – cu un diametru de 2.2 mm

controlul interfeței este realizat prin cu ajutorul unui total de 6 pini (GND, VCC, MISO, MOSI, SCLK, CS). Montajul se realizează în mod generic astfel – GND la ground (potențial electric scăzut) , VCC este conecctat la sursa de alimentare a modulului, MISO, MOSI, SCLK se conectează la magistrala SPI, CS (SS) – este pinul la care se conectează semnalul de selectare, sau prin intermediul căruia se urmarește selectarea dispozitivului de la care datele urmează a fi primite, la un anumit interval de timp, stabilit de catre programator prin intermediul codului folosit (chip select signal pin) [41]

După cum se poate observa din caracterisiticile acestui modul, acesta, nu poate comunica cu alte module decât prin intermediul SPI , interfata fizică fiind asigurată de pinii MISO – D6 , MOSI – D7 , SCK – D5 , CS – D8 (modul de leagare a pinilor la modulul ESP8266).

Acest modul comunică, deci, prin intermediul acestor pini cu modulul ESP8266, pentru a primi și stoca date, pe care acesta le primește la rândul sau de la contorul digital electric. Mai jos este descris modul în care se realizează o comunicație prin intermediul SPI, care sunt avantajele și dezavantajele folosirii unui astfel de protocol.

4.6.2 Standarul SPI

Comunicația prin intermediul SPI (Serial Peripheral Interface) are dezavantajul unui număr mare de pini pentru realizarea conexiunii, în plus, transmiterea datelor este dificilă, are însă și unele avantaje precum conexiune full-duplex (poate transmite de la master la slave și invers în același timp), suportând o rată de transmisie de 10 milioane de biți/secundă.

Numele standardului de comunicație a fost dat de Motorola. Este folosit ca sistem de magistrală serială sincronă pentru transmiterea de date, unde circuitele digitale pot să fie interconectate pe principiul master-slave. Aici, modul master/slave înseamnă că dispozitivul (circuitul) digital master inițiază cuvântul de date. Mai multe dispozitive (circuite) digitale slave sunt permise cu slave select individual, adică cu selectare individuală.

Fig. 4.20 Modul de conectare a două dispozitive prin intermediul comunicației SPI master-slave

Standardul SPI necesită patru semnale logice specifice:

SCLK – Ceas serial (ieșire din master).

MOSI/SIMO – Master Output, Slave Input (ieșire master, intrare slave).

MISO/SOMI – Master Input, Slave Output (intrare master, ieșire slave).

SS – Slave Select (active low, ieșire din master).

Dacă un singur dispozitiv slave este utilizat, pinul pentru SS (CS) poate fi setat pe nivelul logic low ("jos") dacă dispozitivul permite. Unele slave-uri necesită pentru selecție, "falling edge" (tranziție de la nivelurile înalt/high → jos/low) al slave-select-ului pentru a iniția o acțiune, precum circuitul ADC (convertor analog-digital). Cu multiple slave-uri, un semnal SS independent este necesar de la master pentru fiecare dispozitiv (circuit) digital slave.

Majoritatea dispozitivelor slave au trei stări logice (en. tri-state), așa că semnalul MISO devine "deconectat" (ieșire în gol) atunci când dispozitivul nu este selectat. Dispozitivele fără trei stări logice nu pot împărți (nu pot participa la) magistrala SPI cu alte dispozitive; doar acele slave-uri pot comunica cu master-ul și doar dacă au activat chip-selectul.

Pentru a începe comunicația, master-ul mai întâi configurează ceasul de tact, folosind o frecvență mai mică sau egală cu maximul frecvenței suportată de slave. Aceste frecvențe sunt de obicei în intervalul 1-70 MHz. Atunci master-ul setează slave select-ul pe nivelul “jos” (en. low) pentru chip-ul dorit. Dacă este necesară o perioada de așteptare (ca la conversia analog-digitală) atunci master-ul așteaptă cel puțin acea perioadă de timp înainte de a începe ciclurile de ceas.

În timpul fiecărui ciclu de ceas SPI, apare o transmisie full duplex:

master-ul trimite un bit pe linia MOSI, slave-ul îl citește de pe aceeași linie;

slave-ul trimite un bit pe linia MISO, master-ul îl citește de pe aceeași linie.

Nu toate transmisiile de date necesită toate aceste operații (de ex. transmisia unidirecționala) deși acestea se petrec.

În mod normal, transmisia implică existența a doi regiștri de date de o lungime oarecare a cuvântului, cum ar fi opt biți, unul situat în dispozitivul master și celalalt în dispozitivul slave; ei sunt conectați într-o configurație de tip inel. Informația este de obicei transferată începând cu cel mai semnificativ bit (eng: Most Significant Bit – MSB) și continuând bit cu bit până se transferă și cel mai nesemnificativ bit (eng: Least Significant Bit – LSB) pentru același registru. În această fază putem afirma că cele două dispozitive master/slave și-au schimbat valorile din regiștri.

Imediat după, fiecare dispozitiv citește valoarea stocată în registrul de date și o prelucrează, cum ar fi scrierea într-o locație de memorie. Dacă mai sunt date de schimbat, regiștrii de schimb sunt încărcați cu noi date și procesul se repetă. [42]

4.6.3 Inițializarea unui SD Card

Secure Digital, prescurtat SD, este un tip de card de memorie foarte răspândit. Ține de marea grupă de memorii cu acces aleator și de asemenea, din alt punct de vedere, de grupa memoriilor SSD.

Fig. 4.21 Tipuri de carduri microSD

Memoria pe care o utilizează un card este de tip nevolatil, fapt ce înseamnă ca la dispariția alimentării, informațiile sunt păstrate pe card, până la realizarea ștergerii acestora.

A fost dezvoltat de către SD Card Association (SDA), cu scopul de a fi utilizat în dispozitivele și aparatele portabile. [43]

Pe cardul microSD a fost salvat un folder denumit “data” (conține partea de CSS, fonturi, json, bootstrap, jquery, chart, favicon, index, main – HTML, script), librării și codul Arduino.

Toate acestea sunt folosite pentru a crea un server web care găzduiește o pagină Web pe cardul SD.

Pentru pagina web am folosit un fișier încărcat pe SD Card cu denumirea index.html, iar programul folosit pentru scriere poate fi orice editor de text, sau program specializat.

Am folosit adaptor microSD în vederea conectării cardului prin intermediul laptopului pentru a copia fișierul pe card. După realizarea scrierii fișierului cu extensia .html, se introduce cardul microSD în slotul MicroSD. [44]

Comunicația între microcontroler și modulul MicroSD, în care este inserat cardul, utilizează conexiunea SPI, care are loc pe pinii digitali D5-D8 (D5 – SCK, D6 – MISO, D7 – MOSI, D8 – CS).

Chiar și în cazul neutilizării pinului hardware SS (Slave Select), acesta trebuie lăsat ca ieșire, în caz contrar biblioteca SD nu va funcționa.

Cardul microSD permite o multitudine de operații dintre care se pot enumera:

Info card: Permite obținerea de informații despre cardul SD.

Datalogger: Permite înregistrarea de date de la trei senzori analogi pe un card SD.

Fișierul Dump:Permite citirea un fișier de pe cardul SD.

Fișiere: Crează și șterge fișierele din cadrul cardului SD.

Fișiere listate:Permite imprimarea fișierelor de pe un card SD.

Citiți Scrierea:Permite citirea și scrierea date către și de pe cardul SD. [45]

4.6.4 Crearea unui fișier. Actualizare

Reținerea valorilor pe care senzorii le citesc necesită un fișier care să se actualizeze odată cu fiecare citire. Astfel valorile primite sunt reținute pe întreg parcursul măsurării. Fișierul creat conține date referitoare la data și timpul la care s-au realizat măsurătorile, dar și date cu privire la parametrii măsurați. Informațiile referitoare la măsurare sunt reținute în fișier în funcție de data la care s-au realizat măsurările într-un fișier cu extensia .CSV, ce are un format de tipul log_YYYYMMDD (ex log_20180617 log_data_realizarii_masurarii) , unde YYYY reprezintă anul, MM reprezintă luna, iar DD ziua în care s-a realizat măsurarea.

4.7 Aplicația web

Ca și înțeles, o aplicație web este un program de calculator client-server pe care clientul (inclusiv interfața de utilizator și logica clientului) rulează într-un browser web. Aplicațiile web uzuale includ webmail, vânzări online cu amănuntul, licitații online, wiki, servicii de mesagerie instant și multe alte funcții.

Distincția generală între o pagină web dinamică de orice tip și o "aplicație web" este neclară. Site-urile Web cel mai probabil să fie denumite "aplicații web" sunt acelea care au funcționalități similare cu aplicațiile desktop sau cu aplicații mobile. HTML5 a introdus suport lingvistic explicit pentru realizarea de aplicații care sunt încărcate ca pagini web, dar pot stoca date la nivel local și pot continua să funcționeze în timp ce sunt offline.

Aplicațiile pe o singură pagină sunt mai degrabă denumite aplicații, deoarece resping paradigma web mai tipică de a se deplasa între pagini distincte cu adrese URL diferite. Framework-urile cu o singură pagină, cum ar fi Sencha Touch și AngularJS, pot fi folosite pentru a accelera dezvoltarea unei astfel de aplicații web pentru o platformă mobilă.

În modelele de calcul anterioare cum ar fi client-server, sarcina de procesare pentru aplicație a fost partajată între codul de pe server și codul instalat la fiecare client local.

Cu alte cuvinte, o aplicație avea propriul program client precompilat care a servit ca interfață de utilizator și a trebuit să fie instalat separat pe computerul personal al fiecărui utilizator. Un upgrade la codul de server al aplicației ar necesita, de asemenea, un upgrade la codul clientului instalat pe fiecare stație de lucru utilizator, adăugând costul suportului și scăderea productivității. În plus, componentele clientului și ale serverului aplicației au fost, de obicei, legate strâns de o anumită arhitectură a calculatorului și de sistemul de operare, iar portarea acestora către alții a fost adesea prohibitiv costisitoare pentru toate aplicațiile, cu excepția celor mai mari.

În schimb, aplicațiile web utilizează documente web scrise într-un format standard, cum ar fi HTML și JavaScript, care sunt acceptate de o varietate de browsere web. Aplicațiile Web pot fi considerate ca o variantă specifică a software-ului client-server în cazul în care software-ul client este descărcat în mașina client atunci când vizitează pagina web relevantă, folosind proceduri standard cum ar fi HTTP. Actualizările software-ului web pentru clienți se pot întâmpla de fiecare dată când pagina web este vizitată. În timpul sesiunii, browserul web interpretează și afișează paginile și acționează ca și client universal pentru orice aplicație web.

În primele zile ale Web-ului, fiecare pagină web a fost livrată clientului ca document static, însă secvența de pagini ar putea oferi o experiență interactivă, deoarece intrarea utilizatorului a fost returnată prin elementele formularului web încorporate în marcajul paginii. Cu toate acestea, fiecare schimbare semnificativă a paginii web a necesitat reapelare la nivelul serverului pentru a reîmprospăta întreaga pagină.

Aplicațiile sunt de obicei împărțite în părți logice denumite „tiers”, în care fiecărui nivel i se atribuie un rol . Aplicațiile tradiționale erau alcătuite doar dintr-un nivel, care se află pe mașina client, însă aplicațiile web se supun prin natura lor unei abordări de tipulul „n-nivel”. Deși sunt posibile multe variații, structura cea mai comună este aplicația cu trei nivele. În cea mai comună formă, cele trei niveluri sunt numite prezentare, aplicare și stocare, în această ordine. Un browser web este primul nivel (prezentare), un motor folosind o tehnologie dinamică de conținut web (cum ar fi ASP, CGI, ColdFusion, Dart, JSP / Java, Node.js, PHP, Python sau Ruby on Rails) este nivelul de mijloc (logica aplicației) și o bază de date este al treilea nivel (stocare). Browserul web trimite solicitări către nivelul intermediar, care le furnizează servicii prin interogări și actualizări în baza de date și generează o interfață de utilizator.

Pentru mai multe aplicații complexe, o soluție pe 3 niveluri poate fi ineficientă, fiind benefică o abordare pe n niveluri. Un alt beneficiu poate fi adăugarea unui nivel de integrare care separă nivelul de date de celelalte niveluri, oferind o interfață ușor de utilizat pentru a accesa datele. De exemplu, datele clientului vor fi accesate prin apelarea unei funcții „list_clients” () în loc să facă o interogare SQL directă față de tabela client din baza de date. Acest lucru permite înlocuirea bazei de date, fără a face schimbări la celelalte niveluri. [46]

Folosind server-ul web în vederea afișării parametrilor unui circuit electric monofazat (energie totala, tensiune, curent, putere activă, putere reactivă, factorul de putere, frecvență), a fost nevoie de dezvoltarea unei aplicații web pentru a realiza acest lucru.

Accesul la interfața aplicației web, se face prin două metode,acestea fiind descrise mai jos.

Având pe post de client modulul WiFi NodeMcu LoLin (ESP8266). Dispozitivul ce urmează a reda informația prin intermediul paginii web, trebuie să aibă conexiune la Internet. După conectarea dispozitivului la rețeaua de Internet, se deschide portul serial în mediul de lucru Arduino IDE, apoi, prin executarea comenzii „LISTWIFI”, se afișază toate rețelele WiFi din apropierea dispozitivului, evident și cea la care acesta este conectat. Se execută ulterior comanda CWIFI:nume:parola; (unde CWIFI înseamnă ConfigureWifi, nume este numele conexiunii, iar parola – parola conexiunii). Urmează să apară adresa IP rezervată pentru pagina web, care după ce este apelată într-un browser (Mozila, Firefox, Google chrome, Opera, Internet Exproler, Safari, etc), prin intermediul unui server local (localhost), urmează să afișeze continutul web al paginii web (informațiile referitoare la parametrii amintiți anterior).

Având pe post de client dispozitiul ce urmează a reda informația. Pentru acest lucru, este necesar ca dispozitiul pe care urmează a se afișa informația să nu fie conectat la o rețea de Internet, dar să aibă activă conexiune WiFi (pentru a comunica cu modulul Wifi NodeMCU). Mai întai, se merge pe prima variantă, însă modulul NodeMCU, nu se poate conecta la Internet, de aceea se crează o rețea virtuală (KPower_Meter) care ajută ca cele două dispozitive să poată comunica. Se conectează dispozitivul pe care se afișază informația, după care, la adresa IP, de această dată este deja stabilită prin cod (192.168.4.1 în acest caz) se afișază pagina web.

Cea mai sigură și robustă conexiune este prima variantă, deoarece conexiunea la rețeaua de Internet este mult mai stabilă. Prezentarea interfeței aplicației web este redată în figura de mai jos:

Fig. 4.21 Interfața aplicației web folosite în vederea afișării parametrilor unui circuit electric monofazat – Dashboard

După cum se poate observa, la deschiderea paginii web, avem trei meniuri și anume Dashboard , Logs și Settings.

Pagina web se deschide automat pe meniul Dashboard unde avem informații cu privire la parametrii măsurați : energie totală (Total Energy), putere activă (Active Power), putere reactivă (Reactive Power), factor de putere (Power Factor), voltajul rețelei (Voltage), curent (Current), frecvența rețelei (Frequency).

Pentru toate aceste informații sunt afișate valorile maxime, minime și valorile instantanee, cu o rată de refresh de aproximativ 1.5 s.

Valorile instantanee sunt afișate atât textual, cât și grafic (pentru ultimele 10 valori măsurate).

Fig. 4.22 Afișarea grafică a ultimelor 10 valori citite prin intermediul dispozitivului de măsură

La accesarea link-ului Logs, apar log-urile structurate pe zilele în care s-au făcut măsuratorile (partea stangă a ecranului, sub formă de listă).

La alegerea unui log din listă, apar mai multe opțiuni în partea centrală a paginii, referitoare la valorile din logul respectiv. Apar mai multe butoane:

Log overall report care conține parametrii împreună cu valorile minime, maxime, dar și medii

Power consumption (active & reactive) afișază grafic aceste valori pe parcursul măsurării

Voltage variation afișază grafic variația voltajului rețelei electrice la care este conectat dispozitivul de măsurare

Current variations afișază grafic variațiile pe care dispozitivul de măsură le percepe prin măsurarea dispozitivelor supuse măsurii

Power factor variations afișază grafic variația factorului de putere

Frequency variations afișază grafic variațiile de frecvență pe care rețeaua electrică le suportă pe parcursul procesului de măsurare

Download CSV – buton care are drept scop descărcarea logului selectat în format CSV, acesta putând fi prelucrat ulterior grafic cu ajutorul Excel

Fig. 4.23 Interfața aplicației web – Logs

Fig. 4.24 Variațiile curentului consumat de dispozitivul supus măsurării

Fig. 4.25 Variațiile frecvenței rețelei la care este conectat dispozitivul supus măsurării

La accesarea link-ului Settings, apar următoarele optiuni: WiFi – setări cu privire la rețeaua la care se conectează ansamblul de măsurare, RTC – Real Time Clock – setări care permit actualizarea automată a datei, Security – permite schimarea userului și parolei de accesare a IP-ului de pe localhost (actual – user: admin , parola: admin), Logging, Other – permite setarea unui cost per kW, a unor alerte dacă tensiunea electrică scade sau crește peste anumite valori stabilite de către utilizator, setarea intervalului de afișare a valorilor pe pagina web.

Fig. 4.26 Setările cu privire la rețea

Fig. 4.27 Setările privitoare la RTC

4.28 Setări legate de securitate

4.29 Setări legate de alte funcționalități

4.7.1 HTML, CSS, Javascript

Limbajul HTML(Hyper Text Markup Language) reprezintă un limbaj standard în vederea creării paginilor web. Elementele HTML reprezintă blocurile de bază ale paginilor HTML, acestea fiind reprezentate de etichete. Etichetele sunt folosite în vederea identificării (etichetării) părților de conținut precum „titlu”, „paragraf”, „tabel”, etc… . Browserele nu afișează etichetele HTML, ci le folosesc pentru a reda conținutul paginii.

Scopul unui browser web (Chrome, IE, Firefox, Safari) este să citească documente HTML și să le afișeze.

Browserul nu afișează etichetele HTML, dar le utilizează pentru a determina modul de afișare a documentului.

HTML se poate genera direct utilizând tehnologii de codare din partea serverului cum ar fi PHP, JSP sau ASP. Multe aplicații ca sistemele de gestionare a conținutului, wiki-uri și forumuri web generează pagini HTML.

HTML este de asemenea utilizat în e-mail. Majoritatea aplicațiilor de e-mail folosesc un editor HTML încorporat pentru compunerea e-mail-urilor și un motor de prezentare a e-mail-urilor de acest tip. [47]

Pentru realizarea paginii web am folosit un cod html transpus pe microSD, cu denumirea index.html.

CSS (Cascading Style Sheets) este un standard pentru formatarea elementelor unui document HTML. Stilurile se pot atașa elementelor HTML prin intermediul unor fișiere externe sau în cadrul documentului, prin elementul <style> și/sau atributul style. CSS se poate utiliza și pentru formatarea elementelor XHTML, XML și SVGL.

CSS, reprezintă un limbaj simplu de proiectare destinat simplificării procesului de prezentare a paginilor web.

CSS se ocupă de aspectul unei pagini web. Folosind CSS, se poate controla culoarea textului, stilul fonturilor, distanța dintre paragrafe, modul în care sunt dimensionate și dispuse coloanele, ce imagini de fond sau culori sunt folosite, modelele de aspect, variațiile de afișare pentru diferite dispozitive și dimensiunile ecranului precum și o varietate de alte efecte.

Cel mai frecvent, CSS este combinat cu limbajele de marcare HTML sau XHTML.

Avantajele folosirii CSS:

CSS economisește timp – un cod CSS poate fi scris odată și apoi reutilizat în mai multe pagini HTML. De asemenea, poate fi definit un stil pentru fiecare element HTML și acesta putând fi aplicat la cât mai multe pagini web.

Paginile se încarcă mai repede – dacă se utilizează CSS, nu este necesară scrierea de atribute HTML în tag-uri de fiecare dată. Trebuie doar scrisă o regulă CSS unei etichete și aplicată la toate aparițiile acelei etichete. Deci, mai puțin cod înseamnă perioade de încărcare/descărcare mai rapide.

Întreținere ușoară – pentru a face o schimbare globală, se poate pur și simplu schimba stilul și toate elementele din toate paginile web vor fi actualizate automat.

Stiluri superioare pentru HTML – CSS conferă o gamă mult mai largă de atribute decât HTML, astfel încât se poate îmbunătăți imaginea paginii HTML în comparație cu atributele HTML.

Compatibilitatea cu mai multe dispozitive – foile de stil permit optimizarea conținutului pentru mai multe tipuri de dispozitive.

Standardele web globale – în momentul de față atributele HTML sunt depreciate și se recomandă utilizarea CSS. Deci, este o idee să se utilizeze CSS în toate paginile HTML pentru a le face compatibile cu browserele viitoare.

Offline Browsing – CSS poate să stocheze aplicațiile web la nivel local cu ajutorul unei aplicații offline. Folosind acest lucru, putem vizualiza site-uri offline. Cache-ul asigură, de asemenea, o încărcare mai rapidă și o performanță globală mai bună a site-ului.

Platform Independence – Scriptul oferă platformei o consistență independentă și poate sprijini și cele mai recente browsere.

Folosirea CSS permite crearea paginilor responsive – responsivitatea web design-ului oferind o experiență optimă, o citire ușoară și o navigare ușoară, cu un minim de redimensionare pe diferite dispozitive, cum ar fi desktop-uri, telefoane mobile, tablete și alte device-uri).

Bootstrap este cel mai popular cadru de web design bazat pe HTML, CSS și Java script și vă ajută la proiectarea de pagini web într-un mod receptiv pentru toate dispozitivele.

Bootstrap este un cadru front-end gratuit și open source pentru proiectarea de site-uri web și aplicații web. Acesta conține șabloane de design HTML și CSS pentru formulare, butoane, navigație și alte componente de interfață, precum și extensii JavaScript opționale. Spre deosebire de multe cadre web, se referă numai la dezvoltarea front-end-ului. [48]

Bootstrap este modular și constă într-o serie de foi de stil care implementează diferitele componente ale setului de instrumente. Aceste foi de stil sunt, în general, compilate într-un pachet și incluse în paginile web, dar componente individuale pot fi incluse sau eliminate. Bootstrap oferă o serie de variabile de configurare care controlează lucruri precum culoarea și umplerea de diverse componente.

Fiecare componentă Bootstrap constă dintr-o structură HTML, declarații CSS și, în unele cazuri, însoțirea codului JavaScript.

Sistemul de grilă și designul receptiv sunt standard cu un layout de rețea de 1170 pixeli. Alternativ, dezvoltatorul poate utiliza un aspect cu lățime variabilă. În ambele cazuri, setul de instrumente are patru variante pentru a utiliza diferite rezoluții și tipuri de dispozitive: telefoane mobile, portret și peisaj, tablete și calculatoare cu rezoluție mică și înaltă. Fiecare variație ajustează lățimea coloanelor.

Bootstrap vine cu mai multe componente JavaScript sub formă de plugin-uri jQuery. Acestea oferă elemente suplimentare de interfață cu utilizatorul, cum ar fi casetele de dialog, butoanele și carusele. Ele extind, de asemenea, funcționalitatea anumitor elemente de interfață existente, inclusiv, de exemplu, o funcție de auto-completare pentru câmpurile de intrare. [49]

În 1995, Netscape a introdus un limbaj de scripting din partea clientului numit JavaScript, care permite programatorilor să adauge elemente dinamice la interfața cu utilizatorul care a rulat pe partea clientului. Deci, în loc să se transmită date serverului pentru a genera o întreagă pagină Web, script-urile încorporate ale paginii descărcate pot efectua diferite sarcini, cum ar fi validarea intrărilor sau afișarea / ascunderea părților din pagină.

JavaScript (JS) este un limbaj de programare orientat obiect bazat pe conceptul prototipurilor. Este folosit mai ales pentru introducerea unor funcționalități în paginile web, codul JavaScript din aceste pagini fiind rulat de către browser. Limbajul este binecunoscut pentru folosirea sa în construirea siturilor web, dar este folosit și pentru accesul la obiecte încastrate (embedded objects) în alte aplicații.

În ciuda numelui și a unor similarități în sintaxă, între JavaScript și limbajul Java nu există nicio legătură. Ca și Java, JavaScript are o sintaxă apropiată de cea a limbajului C, dar are mai multe în comun cu limbajul Self decât cu Java.

Cea mai des întâlnită utilizare a JavaScript este în scriptarea paginilor web. Programatorii web pot îngloba în paginile HTML script-uri pentru diverse activități cum ar fi verificarea datelor introduse de utilizatori sau crearea de meniuri și alte efecte animate.

4.7.2 Cereri dinamice de date cu Javascript (AJAX). JQuery, JSON. Manipularea DOM-ului

În 2005, termenul Ajax a fost inventat, iar aplicații precum Gmail au început să facă din ce în ce mai mult interacțiunea cu clienții lor. Un script de pagină web poate contacta serverul pentru stocarea / recuperarea datelor fără a descărca o întreagă pagină Web.

În 2011, a fost finalizată formatul HTML5, care oferă capabilități grafice și multimedia fără a fi nevoie de plugin-uri de tip client. HTML5 a îmbogățit, de asemenea, conținutul semantic al documentelor. API-urile și modelul de obiect de document (DOM) nu mai sunt după gândire, ci sunt părți fundamentale ale specificației HTML5. API-ul WebGL a pregătit calea pentru o grafică 3D avansată, bazată pe canava HTML5 și limbajul JavaScript. Acestea au o importanță deosebită în crearea unor aplicații web bogate, independente de platformă și de browser.

Recent, tehnologiile au fost dezvoltate pentru a coordona scripting-ul de partea clientului cu tehnologii de tip server, cum ar fi ASP.NET, J2EE, Perl / Plack și PHP.

Ajax, o tehnică de dezvoltare web care utilizează o combinație de tehnologii diferite, este un exemplu de tehnologie care creează o experiență mai interactivă. [50]

Browserele rețin în memorie o reprezentare a unei pagini web sub forma unui arbore de obiecte și pun la dispoziție aceste obiecte script-urilor JavaScript, care le pot citi și manipula. Arborele de obiecte poartă numele de Document Object Model sau DOM. Există un standard W3C pentru DOM-ul pe care trebuie să îl pună la dispoziție un browser, ceea ce oferă premiza scrierii de script-uri portabile, care să funcționeze pe toate browserele. În practică, însă, standardul W3C pentru DOM este incomplet implementat. Deși tendința browserelor este de a se alinia standardului W3C, unele din acestea încă prezintă incompatibilități majore, cum este cazul Internet Explorer.

O tehnică de construire a paginilor web tot mai întâlnită în ultimul timp este AJAX, abreviere de la „Asynchronous JavaScript and XML”. Această tehnică constă în executarea de cereri HTTP în fundal, fără a reîncărca toată pagina web și actualizarea numai anumitor porțiuni ale paginii prin manipularea DOM-ului paginii. Tehnica AJAX permite construirea unor interfețe web cu timp de răspuns mic, întrucât operația (costisitoare ca timp) de încărcare a unei pagini HTML complete este în mare parte eliminată.

Ajax este un set de tehnici de dezvoltare web care utilizează multe tehnologii Web de pe partea clientului pentru a crea aplicații web asincrone. Cu Ajax, aplicațiile Web pot trimite și prelua date de pe un server în mod asincron (în fundal) fără a interfera cu afișarea și comportamentul paginii existente. Prin decuplarea stratului de interacțiune de date de la stratul de prezentare, Ajax permite paginilor Web și, prin extensie, aplicațiilor Web, să modifice dinamic conținutul fără a mai trebui să reîncărcați întreaga pagină. În practică, implementările moderne utilizează în mod obișnuit JSON în loc de XML, datorită avantajelor JSON-ului fiind JavaScript nativ.

Ajax nu este o singură tehnologie, ci mai degrabă un grup de tehnologii. HTML și CSS pot fi utilizate în combinație pentru a marca informații și stil. Pagina de web poate fi apoi modificată de JavaScript pentru a afișa dinamic – și permite utilizatorului să interacționeze cu – noile informații.

Obiectul încorporat XMLHttpRequest din JavaScript este folosit în mod obișnuit pentru a executa Ajax pe pagini web, permițând site-urilor web să încarce conținut pe ecran fără a reîmprospăta pagina. Ajax nu este o tehnologie nouă, sau un limbaj diferit, ci doar o combinație a tehnologiilor existente folosite în noi moduri.

Termenul Ajax a ajuns să reprezinte un grup larg de tehnologii Web care pot fi folosite pentru a implementa o aplicație Web care comunică cu un server în fundal, fără a interfera cu starea actuală a paginii. În articolul care a inventat termenul Ajax, Jesse James Garrett a explicat că sunt integrate următoarele tehnologii:

HTML (sau XHTML) și CSS pentru prezentare

Modelul de obiect de documente (DOM) pentru afișarea dinamică și interacțiunea cu datele

JSON sau XML pentru schimbul de date și XSLT pentru manipularea acestuia

Obiectul XMLHttpRequest pentru comunicații asincrone

JavaScript pentru a aduce aceste tehnologii împreună [51]

jQuery este o bibliotecă JavaScript rapidă, mică și bogată în funcții. Ea face lucruri precum traversarea și manipularea documentelor HTML, manipularea evenimentelor, animația și Ajax mult mai simple, cu un ușor de utilizat API care funcționează într-o multitudine de browsere. Cu o combinație de versatilitate și extensibilitate, jQuery a schimbat modul în care milioane de oameni scriu JavaScript. [52]

JSON (JavaScript Object Notation) este un format ușor de schimb de date. Este ușor pentru oameni să citească și să scrie. Este ușor pentru mașini să parseze și să genereze. Se bazează pe un subset al limbajului de programare JavaScript. JSON este un format de text care este complet independent de alte limbaje, dar utilizează convenții cunoscute de programatorii familiei de limbaje C, C ++, C #, Java, JavaScript, Perl, Python și multe altele. Aceste proprietăți fac din JSON un limbaj ideal pentru schimbul de date.

JSON este construit pe două structuri:

o colecție de perechi de nume / valoare. În diferite limbaje de programare, acest lucru este realizat ca un obiect, înregistrare, struct, dicționar, tabelul hash, lista cu chei sau matricea asociativă.

o listă ordonată de valori. În majoritatea limbajelor, acest lucru este realizat ca o matrice, vector, listă sau secvență. [53]

4.7.3 Grafice. Chart.js

Interfața web a acestui proiect cuprinde și o parte grafică. Aceasta este situată în subsolul paginii web și permite vizualizarea în timp real a măsurătorilor realizate asupra parametrilor cu ajutorul senzorilor folosiți.

Este permisă vizualizarea unui singur grafic, sau mai multor grafice în funcție de dorințele utilizatorului. În figura de mai jos se poate observa modul în care aceste grafice apar în intermediul paginii web.

Fig. 4.30 Afișarea grafică prin utilizarea bibliotecii Chart.js

Fig. 4.31 Afișarea energiei totale – kWh

Fig. 4.32 Afișarea puterii active – Active power – W

Fig. 4.33 Afișarea puterii reactive – Reactive power – W

Fig. 4.34 Afișarea factorului de putere – Power Factor – deg

Fig. 4.35 Afișarea tensiunii electrice – Voltage – V

Fig. 4.36 Afișarea curentului electric – Current – A

Fig. 4.37 Afișarea fecvenței rețelei electrice – Frequency – Hz

În vederea realizării graficelor am utilizat o bibliotecă open-source denumită Chart.js.

Chart.js poate fi integrat cu JavaScript simplu sau cu module diferite.

Când este vorba de a schimba dimensiunea graficului în funcție de dimensiunea ferestrei, o limitare majoră este că dimensiunea canvas-ului (canvas.width și .height) nu poate fi exprimată cu valori relative, spre deosebire de dimensiunea afișată (canvas.style.width și .height). În plus, aceste mărimi sunt independente una de cealaltă și, prin urmare, mărimea dimensiunii canvasului nu se ajustează automat în funcție de dimensiunea afișajului, ceea ce face ca redarea să fie inexactă.

Chart.js oferă câteva opțiuni pentru a permite reacția și a controla comportamentul de redimensionare a diagramelor prin detectarea modificării mărimii afișării graficului și actualizarea dimensiunii de redare în consecință.

O diagramă de linie este o metodă de reprezentare a punctelor de date pe o linie. Adesea, aceasta este utilizată pentru a arăta datele din tendințe sau pentru a compara două seturi de date.[54]

Chart.js folosește elementul canvas, care este un singur nod DOM, similar cu caracteristicile unei imagini statice. Acest lucru înseamnă că are o gamă mai largă de compatibilitate și implicații mai puține de memorie decât soluțiile de cartografiere bazate pe SVG. Elementul canvas permite, de asemenea, salvarea conținutului ca șir de bază 64, permițând salvarea diagramei ca imagine.

În SVG, toate liniile, punctele de date și tot ceea ce se vede este un nod DOM. Ca urmare a acestui fapt, în cazul graficelor complexe cu multe interacțiuni sau multe diagrame de pe pagină se vor vedea deseori performanțe scăzute atunci când defilați sau generați graficul. SVG are de asemenea un suport mobil relativ slab, iar Android nu suportă deloc SVG înainte de versiunea 3.0 și iOS înainte de 5.0. [55]

4.7.4 Descărcarea unui fișier CSV de pe SDCard

Un fișier CSV poate fi descărcat foarte simplu într-un laptop sau PC si apoi analizat în funcție de data la care s-au făcut măsurările.

Există două posibilități de vizualizare a datelor salvate prin intermediului cardului MicroSD și anume:

Cardul microSD se scoate din modulul SD Sheild și se conectează prin intermediul unui adaptor la PC, laptop, tabletă, telefon sau alt smart device.

Se descarcă fișierul dorit direct din pagina web, prin simpla apăsare a butonului Download, această variantă fiind mai simplă datorită faptului că nu este necesară intreruperea procesului de achiziție a datelor de pe card, prin scoaterea acestuia

Deschizând fișierele conținute și salvate în funcție de ziua în care s-a realizat măsurarea, acesta se pot observa și eventual se poate realiza un grafic cu fiecare componentă măsurată, sau cu mai multe componente odată pentru observarea modului de evoluție în timp a mărimilor salvate.

Fig. 4.38 Utilizarea Excel pentru formatarea graficelor rezultate în urma măsurărilor

4.8 Dispozitivul de masurare – Contorul Digital Sigle Phaze. Interfața cu ESP8266

Tabelul 4.1 Posibilitățile de afisare ale contorului electric digital, precum și felul în care informațiile se afișază pe ecranul acestuia

STANDARD          IEC 62053-21(IEC61036) MODBUS-RTU

NOMINAL VOLTAGE  L+N 230V 50HZ (0.8UN~1.15UN)

BASIC CURRENT(lb2) 5A

MAXIMUM CURRENT 65A,

MINIMUM CURRENT 0.02A

FREQUENCY        50Hz/60Hz

CONSUMPTION     <2W/10VA

ACCURACY CLASS  1

DISPLAY           5+1 DIGITS

INTERFACE       OPEN COLLECTOR OUTPUT(SO)

18~27V 27mA

IMPULSES        IMPULSE LENGTH≥30ms

(as per DIN43684)

SERVICE TEMPERATURE LIMIT:-25°+70°

L.E.D 1 COLOUR

NORMAL OPERATION

PINK   FLASHING RATE PROPORTIONAL TO LOAD

(1600imp/kwh )

INSTALLATION

MOUNTING      DIN RAIL 35mm

PROTECTION    IP20(TERMINAL COVERS INCLUDED)

Capitolul V: Dezvoltare ulterioară și îmbunătățiri

Când vine vorba despre dezvoltarea și îmbunătățirea proiectului, pot spune că întotdeauna este loc de mai bine, pot fi implementați algoritmi mai preciși, mai rapizi, care să îndeplinească funcții mai diversificate.

Se pot implementa soluții mai fiabile și mai puțin costisitoare, la același preț sau chiar unul mai redus. Odată cu dezvoltarea tehnicii și apariția unor soluții hardware mai performante, este evident faptul că dispozitivele devin din ce în ce performante.

În următoarele subcapitole voi vorbi despre upgrade-urile (îmbunătățirile) ce pot fi realizate în implementarea ulterioară a unor soluții de măsurare inteligentă a parametrilor unui circuit electric monofazat, sau chiar a mai multor dispozitive în același timp.

5.1 Alertarea utilizatorului prin mesaje de tip SMS la întreruperea tensiunii de alimentare a consumatorilor monitorizați, cu ajutorul modulelor de tipul GPRS/GSM

În vederea monitorizării întreruperii tensiunii de alimentare a consumatorilor am utilizat deja o baterie de tipul litiu-polimer LP523450 de 3.7V și 900 mAh. Ea are scopul de a menține dispozitivul NodeMCU alimentat în cazul căderilor de tensiune pe rețea. Cu ajutorul acesteia, modulul achiziționează date în modul offine (neavând conexiune la Internet pe parcursul întreruperii alimentarii cu curent electric a dispozitivelor măsurate). Evident, datele achiziționate ajută doar la determinarea momentului în care a existat pana de curent și la aprecierea momentului în care s-a reluat alimentarea de la priză.

Ideal ar fi ca și utilizatorul să fie informat cu privire la întreuperea tensiunii de alimentare a consumatorilor, acest lucru aducând un beneficiu considerabil, tinând cont că într-o fabrică, întreruperea unui flux tehnologic are un impact destul de mare, în funție de timpul în care dispozitivele sunt deconectate de la rețea.

Se poate implementa și un sistem automat, care permite consumatorilor să fie legați la un generator de tensiune electrică, până la remedierea problemei. Generatorul, putând fi pus în funcțiune de către modulul NodeMCU, atunci când sesizează întrruperea alimentării de la rețeaua electrică a consumatorilor electrici monitorizați.

Pe de altă parte, utilizatorul (administratorul) rețelei, este și el anunțat, printr-un SMS de lipsa alimentării de la rețeaua electircă cu tensiune electrică.

Pentru generarea mesajelor de tip SMS, se utilizează module de tip GSM/GPRS.

Global System for Mobile Communications (Sistem Global pentru Comunicații Mobile), prescurtat GSM, este standardul de telefonie mobilă (celulară) cel mai răspândit din lume, precum și numele rețelei de telefonie respective. Atributul „mobil” al multor aparate și dispozitive actuale se referă în primul rând la conectivitatea lor (fără fir, prin semnale radio) la sistemul GSM, practic din orice punct de pe glob unde există oameni.

Rețelele mobile celulare GSM oferă o serie de avantaje față de alte soluții tehnice:

capacitate de transmisie sporită

consum redus de energie

acoperire geografică extensivă

interferențe reduse cu alte semnale

toleranță la greșeli de transmisie sau defecțiuni

latență redusă și stabilitate.

În general, în timpul unei transmisii de date este stabilită o conexiune continuă (un canal de comunicație) rezervată – în acest timp nimeni altcineva nu poate folosi acel canal.

GPRS are efectul că dacă în timpul transmisiei, la un moment dat, nu se transmit date, canalul e pus la dispoziție pentru alte transmisii, fără însă ca să se piardă conexiunea inițială. În acest fel se mărește disponibilitatea rețelei. Altfel spus, la standardul GPRS conexiunea pentru o transmisie este continuă, permanentă, dar în plus canalul de transmisie pote fi partajat de mai mulți utilizatori (se pot transmite mai multe mesaje în același timp pe același canal de comunicație). – https://ro.wikipedia.org/wiki/GSM

Mai jos sunt expuse câteva modele existente pe piață.

Rolul acestora este de a primi datele de la modulul NodeMCU, iar atunci când acesta sesizează o întrerupere a conexiunii la rețeaua electrică, să transmită date modulului GSM/GPRS, care la rândul sau să trimită SMS către utilizatorul (utilizatorii) vizați.

Modul GPRS/GSM quad-band cu antenă

Modulele GSM SIM900 și SIM900D. Diferența constă în dimensiunile acestora. Modelul “D” este unul dintre cele mai mici pe piață. Dimensiunile acestuia sunt doar 24 × 24 × 3mm (greutate 3,4g), în timp ce majoritatea alternativelor au dimensiunile 33 × 33 × 3mm.

Module GSM/GPRS de tip SIM900 și SIM900D

Baza ambelor module o constituie microcontrolerul de tip ARM926EJ-S tactat la frecvența de 156MHz. Acesta permite dublarea vitezei de lucru. Iar noua soluție radio bus permite reducerea consumului în regimul sleep la 1,5mA, la tensiunea de alimentare din intervalul 3,4 … 4,5V.

Modulul poate trimite date prin utilizarea transmisiei de pachete GPRS clasa 10 și 8. Acest fapt permite ocuparea a 4 lacune de timp în direcția downlink (ambele clase) și a 1 (clasa 8) sau a 2 (clasa 10, însă fără utilizarea unei lacune downlink) în direcția uplink. Rata de transfer maximă la descărcarea datelor este de 85,6kbps. În plus, modul suportă modul de apelare CSD (downlink până la 14,4 kbps) și USSD (Unstructured Supplementary Service Data), care permite comunicarea directă între telefonul mobil și alte elemente ale rețelei mobile.

Din punct de vedere al aplicației, noul modul are două caracteristici foarte importante. Prima este posibilitatea funcționării în patru zone GSM 850, 900, 1800 și 1900MHz, fără necesitatea schimbării echipamentului. Este de ajuns transmiterea comenzii de configurare corespondente. Cea de-a doua caracteristică este stiva TCP/IP implementată.

Modulul are două interfețe UART, dintre care una este folosită pentru legătura cu sistemul principal (UART1), iar a doua se utilizează pentru actualizarea software-ului și la comunicarea cu setul de reconfigurare (UART0). Producătorul recomandă, ca această interfață să fie disponibilă în aplicație (este suficient conectorul alimentat la placa de bază) indiferent de utilizarea ei, deoarece soluționarea eventualelor probleme tehnice poate fi în acest fel mai facilă.

În anumite aplicații poate fi important faptul că producătorul a echipat modulul cu 12 rânduri GPIO, statutul lor poate fi citit sau modificat cu ajutorul comenzilor AT. Tensiunea lui “1” logic este de 2,8V (valabilă și pentru UART). Dacă sistemul principal nu este compatibil cu acest nivel al tensiunii, este necesară utilizarea unui circuit de adaptare suplimentar. Modul suportă manipularea cardurilor de 1,8V cât și 3V.

În plus față de documentația pregătită cu mare atenție, compania SIMCom a proiectat și a fabricat setul de reconfigurare (figura ), care simplifică dezvoltarea aplicațiilor. Pe placă sunt montate circuite pentru utilizarea comodă a tuturor funcțiilor modulului. Este posibilă conectarea conexiunilor de voce cât și de date. – https://www.electronica-azi.ro/2010/05/04/modulul-gsmgprs-de-tip-sim900/

Setul de reconfigurare GSM

5.2 Descentralizarea sistemului de analiză. Conexiune RF între platforma de colectare date și cea de procesare (RF 433Mhz)

Descentralizarea datelor se poate realiza folosind o plăcuță NodeMCU Lolin, pentru colectarea datelor de la dispozitivul de măsurare single-phase (contorul electric digital DDS238-2 ZN/S) și o alta pe partea de procesare a datelor (împreună cu Sheild-ul SDCard).

Cele două module sunt conectate permanent prin intermediul conexiunii RF de 433 Mhz.

Această variantă de conectare este una ieftină și ușor de implementat. Este mai simplu de utilizat decât conexiunea realizata prin intermediul unui XBee (modul radio de la Digi International).

Este foarte ușor să se transmită date prin intermediul acestor module de radiofrecvență direct prin cod, fără ajutorul unor librării specializate.

Conexiunea RF între dispozitivele wireless NodeMCU (ESP8266), se realizează prin intermediul a două module și anume un transmițător și un receptor.

Înainte de a începe conectarea propriu-zisă si realizarea funcțiilor specifice pentru care este proiectat, trebuie să ne asigurăm că cele două module (cel de transmisie si cel de recepție a datelor), funcționează în mod corespunzător.

În vederea realizării acestei verificări se poate folosi o conexiune simplă, de exemplu se poate folosi un cod pentru aprinderea unui led.

Modulele de transmisie și recepție trebuie sa fie apropiate unul de celălalt, la o distantă de aproximativ 1-2 cm (maxim 16 cm), pentru a evita interferențe majore. Se pot însă utiliza antene în vederea conectării modulelor de la distanțe mai mari.

Din practică se observă faptul că se obține o acuratețe mai mare prin utilizarea pinului de 3.3 V în vederea alimentării modulului de recepție a datelor, în detrimentul alimentării de la pinul ce debitează 5V.

Fig. 5.1 Realizarea comunicației între două module RF de 433 Mhz în vederea conectării a două plăcuțe ESP8266

Transmițătorul conține trei pini, așa cum se poate observa în figura de mai sus. În figura 5.2 este prezentat modulul RF de transmisie a datelor.

Fig 5.2 Modulul RF de transmisie a datelor

Pinul DATA este responsabil cu transmiterea datelor, iar ceilalți doi pini sunt pinii de alimentare – VCC, care se conectează la 5V, iar GND, la pinul GND al plăcuței de dezvoltare.

Receptorul se ocupă de recepția datelor procesate de primul ESP și transmiterea la cel de-al doilea, ce este conectat la Internet prin standardul IEEE 802.11 (Wi-Fi), ce are rolul de stocare a datelor și transmitere a acestora la site-ul web.

În figura de mai jos avem prezentat receptorul (Reciever) și un tabel prin care sunt puși în evidentă pinii acestuia. [61]

Fig. 5.3 Modulul RF de recepție a datelor

Avantajele acestei implementări constă în faptul că datele pot fi colectate de către mai multe module NodeMCU și transmise modulului principal, de procesare, în vederea efectuării diferitelor operații (de scriere pe card, de transmitere a datelor spre pagina web , etc). Se pot astfel obține valori de la mai multe dispozitive, clasificarea datelor fiind facilă, deoarece fiecare dispozitiv este conectat la propriul modul. Acesta preia datele și le transmite spre procesare modulului principal.

Un alt avantaj major este reprezentat de faptul că, la modulul NodeMCU care preia datele de la contorul digital electric și le transmite spre procesare prin intermediul modulului de transmisie – recepție, pot fi conectate mai multe dispozitive adiacente (atâtea câte intrari analogice conține placa de dezvoltare).

Problema care se pune este aceea de a reuși minimizarea interferențelor ce apar între modulele RF de transmisie – recepție.

5.3 Folosirea mai multor dispozitive (contoare de măsură)

Analiza individuală a mai multor consumatori se poate realiza cu ajutorul mai multor contoare electrice digitale, circuitul de tensiune fiind același pentru toate aparatele conectate, considerând că aceste aparate sunt conectate la aceeași tensiune, în cazul acesta, monofazată.

Se vor utiliza, deci, mai multe contoare, în funcție de numărul dispozitivelor care se doresc sa se măsoare în mod individual, același contor putând să măsoare mai multe dispozitive, dar nu individual, ci să le măsoare împreună, să afișeze toata energia consumată de dispozitive, împreună cu celelalte valori (curent electric total consumat, tensiunea de alimentare, frecvența, etc).

Contoarele vor fi legate la aceeași tensiune electrică monofazată, fiecare având câte un convertor MAX485 TTL, comunicând cu câte un dispozitiv NodeMCU LoLin. Dispozititve NodeMCU pot fi conectate deasemenea la aceeași alimentare, și pot dispune de câte o baterie, în cazul în care acestea nu primesc curent la priza de la rețea, pe o perioadă limitată de timp.

Implementarea este similară cu cea pentru un sigur dispozitiv de măsurare, diferențele fiind precizate mai sus.

Multe contoare, inclusiv contoarele de energie electrică de import sau export monofazat, ori trifazat, contoare de gaz și contoare de apă, au ieșiri de tip puls. Ieșirea pulsului poate fi o lumină intermitentă sau un releu (de obicei solidă) sau ambele. Se recomandă astfel, utilizarea interfeței optice, dacă este disponibilă, deoarece aceasta decuplează echipamentul de monitorizare de la rețea.

În cazul unui contor de energie electrică, o ieșire de impuls corespunde unei anumite cantități de energie care trece prin contor (kWh / Wh). Pentru contoarele de energie electrică monofazică, de ex. Elster A100c, fiecare puls corespunde în mod obișnuit cu 1 Wh (1000 impulsuri per kWh). Contoarele de apă și gaz vor fi marcate în mod obișnuit pentru a arăta cantitatea de apă (litri / galoane) sau gaz (metri cubi) pe care fiecare impuls o reprezintă.

Un proces de introducere a scalei poate fi utilizat pentru a converti numărul de impulsuri în kWh. De exemplu: contorul meu de energie electrică emite 800 de impulsuri pe kWh, deci fiecare impuls este de 0,8Wh. Pot multiplica numărul de impulsuri cu 0,8 pentru a obține numărul de Wh sau cu 0,0008 pentru numărul de kWh acumulat.

Așadar, folosirea sistemelor de monitorizare de genul celui prezentat ajută la urmărirea mai multor sisteme electrice în mediul online.

5.4 Sistem de management al consumatorilor. Întreruperea condiționată și reluarea alimentării

O altă îmbunătățire ce poate fi adusă ansamblului de măsurare descris în această lucrare este reprezentat de un sistem ce realizează managerierea consumatorilor prin întreruperea condiționată sau reluarea alimentării acestora. Implementarea constă în folosirea releelor.

Putem controla dispozitive electronice de înaltă tensiune folosind relee. Un releu este de fapt un comutator care este acționat electric de un electromagnet. Electromagnetul este activat cu o tensiune scăzută, de exemplu 5 volți de la un microcontroler și acționează un contact, pentru a închide sau întrerupe un circuit de înaltă tensiune.

Fig. 5.12 Stările unui releu

Ca un exemplu, se pot folosi module de relee cu două canale de tipul HL-52S, care are în componență 2 relee cu următoarele caracteristici: un canal de 10A – 250V/125V AC și celălalt canal de 10A – 30V/28V DC. Conectorul de ieșire de înaltă tensiune are 3 știfturi, cel din mijloc este pinul comun și după cum se poate observa din marcaje, unul dintre cei doi alți pini este pentru conexiunea normal deschisă, iar cealaltă pentru conexiunea normal închisă.

Fig. 5.13 Modul releu cu două canale

Pe cealaltă parte a modulului avem aceste două seturi de știfturi. Primul are 4 pini, un GND și un pin VCC pentru alimentarea modulului și 2 pini de intrare In1 și In2. Al doilea set de pini are 3 pini cu un jumper între JDVcc și pinul Vcc. Cu o astfel de configurație, electromagnetul releului este alimentat direct de la placa Arduino și dacă se întâmplă ceva cu releul, microcontrolerul s-ar putea deteriora.

Modulul NodeMCU v3 este conectat la o tensiune de 5V, însă acesta are un regulator de tensiune, care transformă cei 5V în 3.3V.

Așadar, cei 5V pot fi obtinuți direct de la modulul NodeMCU conectat (fără izolație), cât și de la bateria utilizată pe post de backup pentru alimentnarea modulului (cu izolație).

Se conectează la pinul Vcc pentru activarea releului prin intermediul optocuplor IC sunt de asemenea conectați la pinul JDVcc care acționează electromagnetul releului. Deci, în acest caz, nu s-a realizat o izolație între releu și microcontroler.

Fig. 5.14 Conectarea releului la modulul de dezvoltare NodeMCU v3, varianta fără izolație între releu și NodeMCU

Pentru a izola microcontrolerul de releu, trebuie scos jumperul și conectată sursa de alimentare separat pentru electromagnet la JDVcc și pinul GND. Acum, cu această configurație, microcontrolerul nu are nici o conexiune fizică cu releul, ci doar utilizează lumina LED a optocuplorului IC pentru a activa releul. Schema de conectare este prezentată în figura de mai jos (Fig. 5.15).

Fig. 5.15 Conectarea releului la modulul de dezvoltare NodeMCU v3 Lolin, varianta cu izolație între releu și NodeMCU

Se poate folosi un adaptor de 5V ca sursă de alimentare separată pentru electromagnetul conectat la JDVcc și pinul GND. Pinul de 5V al ESP8266 va fi conectat la pinul Vcc al modulului și un pin digital al NodeMCU la pinul de intrare In1 pentru controlul releului. Acum, pentru partea high, avem nevoie de o priză de alimentare, o priză și un cablu cu două fire. Unul dintre cele două fire va fi tăiat și conectat la pinul comun și normal deschis al conectorului de ieșire al modulului. Deci, cu această configurație când vom activa releul, circuitul de tensiune înaltă va fi închis și funcțional.

Fig. 5.16 Modul de realizare a conexiunii releului cu NodeMCU v3 (modul Wi-fi ESP8266)

Se poate testa dacă modulul funcționează corespunzător cu ajutorul unui multimetru, sau se poate mai întâi testa la o tensiune scăzută.

Fig. 5.17 Forma finală de conexiune a releului la alimentarea consumatorului (dispozitivului ce urmează a fi măsurat)

Prin intermediul acestei conexiuni, nu doar că sunt măsurați parametrii circuitului electric supus măsurării, ci se poate interveni și asupra stării acestuia (pornit/oprit), prin folosirea releelor.[63]

Capitolul VI: Concluzii

Acest proiect a avut ca scop prezentarea realizării procesului de măsurare a parametrilor unei rețele electrice (circuit electric) monofazate cu toate etapele parcurse pâna la stadiul final.

Pentru început au fost necesare câteva precizări teoretice referitoare la curentul electric, tensiune, putere, senzori și alte dispozitive utilizate în proiect.

A fost prezentată etapa parcurgerii pașilor în vederea realizării fiecarui circuit în parte și a dispozitivului per ansamblu, cât și ulterioare îmbunătățiri ce pot fi aduse acestuia.

În fiecare etapă au fost prezentați pasii de realizare în mod concret: realizarea modului de măsurare a parametrilor electrici ai unor consumatori electrici conectați la o rețea electrică monofazată prin intermediul Contorului electric digital și al aparatului conex, modul de funționare al modulului NodeMCU v3 LoLin (cu Wi-Fi integrat), al RTC-ului, al modulului MicroSD, realizarea scrierii datelor prin intermediul cardului microSD, al convertorului MAX485 TTL la Serial, afișarea pe site-ul web și tool-urile necesarea acesteia, precum și a relațiilor care se stabilesc între module.

În capitolul IV, a fost prezentată implementarea practică, iar în ultimul capitol – V, s-au prezentat îmbunătățirile ce pot fi implementate ulterior.

Măsurarea parametrilor unor consumatori electrici printr-un sistem inteligent de măsurare (online), prezintă implicații de o deosebită importanță atât în domeniul energetic, cât și pentru mediul înconjurător, sistemele moderne cu funcții multimple de gestionare a energiei, nu doar de monitorizare, jucând un rol definitoriu în vederea reducerii emisiilor gazelor cu efecte de seră, precum și a costului de producere și livrare a energiei electrice.

De asemenea erorile umane, care pot să apară în cadrul măsurării clasice sunt eliminate. Cu ajutorul dispozitivului implementat se poate realiza atât vizualizarea în timp real a valorilor prin intermediul unui grafic afișat prin intermediul unui browser, cât și memorarea acestora prin intermediul unui microSD în vederea analizării ulterioare a datelor.

În concluzie, pot afirma că în contextul actual, de dezvoltare continuă a dispozitivelor și mijloacelor tehnice folosite, a folosirii din ce în ce mai des a conceptului de IoT (Internet of Things), această lucrare constituie o temă de actualitate, putând constitui un punct de plecare în vederea realizării unor dispozitive mai performante, cu funcții diversificate, sisteme care pot eventual să analizeze situațiile nou apărute și să ia decizii facile în vederea rezolvării lor.

Bibliografie

1. https://ro.wikipedia.org/wiki/Măsurare

2. http://www.ac.tuiasi.ro/~lmastacan/wp-content/uploads/29.09.2017_C01_Notiuni_generale_de_metrologie.pdf

3. SR 13251:1996 – Vocabular internațional de termeni fundamentali și generali în metrologie, traducere a ISO Guide 99:1996 – International vocabulary of basic and general terms in metrology (VIM).

4. http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/Traductoare_Principii.pdf

5. https://ro.wikipedia.org/wiki/Curent_electric

6. http://tehnium.org/wp/?p=2696

7. https://shopdelta.eu/curentul-continuu-dc_l19_aid761.html

8. https://ro.wikipedia.org/wiki/Consumator_electric

9. Influența unor consumatori uzuali asupra… (PDF Download Available). Available from: https://www.researchgate.net/publication/314329008_Influenta_unor_consumatori_uzuali_asupra_calitatii_energiei_electrice_Influence_of_some_Ordinary_Electric_Consumers_on_Power_Quality_Full_text_in_Romanian [accessed May 12 2018].

10. https://www.electrica.ro/activitatile-grupului/distributie/eficienta-energetica/

11. https://www.digi24.ro/special/campanii-digi24/romania-cu-incetinitorul/platim-curentul-de-trei-ori-mai-mult-decat-pretul-de-productie-cum-impovareaza-statul-consumatorii-dar-protejeaza-marile-companii-358597

12. https://www.green-report.ro/mix-ul-perfect-in-energie-42-din-productia-de-energie-electrica-a-romaniei-asigurata-din-surse-regenerabile/

13. http://apollo.eed.usv.ro/~elev6/impact.html

14. https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_meter

15. https://wiki.ezvid.com/best-electricity-usage-monitors

16. https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_things

17. https://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy

18. https://whatis.techtarget.com/definition/sensor

19. https://en.wikipedia.org/wiki/Current_sensor

20. https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2015/07/10/six-ways-to-sense-current-and-how-to-decide-which-to-use#

21. https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage

22. https://ro.wikipedia.org/wiki/Transformator

23. https://hobbytronica.ro/ce-este-puterea-electrica/

24. https://hobbytronica.ro/defazajul-dintre-tensiune-si-curent/

25. https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino

26. https://en.wikipedia.org/wiki/NodeMCU

27. https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266

28. https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino

29. https://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_clock

30. https://www.maximintegrated.com/en/products/digital/real-time-clocks/DS3231.html

31. https://www.i2c-bus.org

32. users.utcluj.ro/~sebestyen/_Word_docs/Cursuri/Luc6-uP.doc

33. https://profs.info.uaic.ro/~arduino/index.php/Comunicare_I2C

34. https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/arduino-ds3231-real-time-clock-tutorial/

35. https://en.wikipedia.org/wiki/Remote_terminal_unit

36. https://en.wikipedia.org/wiki/Modbus

37. https://cleste.ro/modul-convertor-max485-ttl-rs485.html

38. https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/447441/TGS/MAX485.html

39. https://en.wikipedia.org/wiki/RS-485

40. https://ro.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi

41. https://ardushop.ro/ro/home/51-modul-adaptor-micro-sd.html

42. https://ro.wikipedia.org/wiki/Interfața_serială_SPI

43. https://ro.wikipedia.org/wiki/Secure_Digital

44. https://startingelectronics.org/tutorials/arduino/ethernet-shield-web-server-tutorial/SD-card-web-server/

45. https://www.arduino.cc/en/Reference/SD

46. https://en.wikipedia.org/wiki/Web_application

47. https://www.w3schools.com/html/default.asp

48. https://www.tutorialspoint.com/css/what_is_css.htm

49. https://en.wikipedia.org/wiki/Bootstrap_(front-end_framework)

50. https://ro.wikipedia.org/wiki/JavaScript

51. https://en.wikipedia.org/wiki/Ajax_(programming)

52. https://jquery.com

53. https://www.json.org

54. https://www.chartjs.org/docs/latest/

55. http://www.shilling.co.uk/survey/Charts/docs/

59. https://learn.openenergymonitor.org/electricity-monitoring/ct-sensors/interface-with-arduino

60. https://ro.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi

61. http://arduinobasics.blogspot.com/2014/06/433-mhz-rf-module-with-arduino-tutorial.html

62. https://wiki.openenergymonitor.org/index.php/EmonTx_V3.4

63. https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/control-high-voltage-devices-arduino-relay-tutorial/