Создание надежного монитора энергии и логгера данных на Arduino — пошаговое руководство

Компоненты и материалы

• Arduino UNO — 1 шт.
• Плата Dr. Wattson (MCP39F521) — 1 шт. (измерение напряжения, тока, мощности, коэф. мощности, частоты)
• Акриловый корпус для Dr. Wattson — 1 шт. (безопасность: изоляция от сети)
• MicroSD-карта + адаптер (Adafruit MicroSD breakout) — 1 шт.
• Тактильная кнопка — 1 шт.
• Светодиод + резистор 220 Ом — индикатор логирования
• Провода, макетная плата

Dr. Wattson основан на чипе Microchip MCP39F521. Измеряет току до 4А (динамический диапазон 4000:1 — до 1 мА), изолирован через токо- и направочные трансформаторы. Доступен на Tindie.

О проекте

Устройство собирает данные о потреблении энергии подключенной нагрузки (ток, активная/реактивная/полная мощность, коэф. мощности, напряжение, частота) и пишет их в CSV-файлы на SD-карту. Кнопка включает/выключает логирование, светодиод показывает статус. Файлы ротируются: DATA00.CSV … DATA99.CSV — удобно для разделения замеров разных приборов.

Сборка и безопасность

Плата Dr. Wattson помещается в акриловый корпус с IEC-розеткой на входе и вилкой на выходе. Все силовой части изолированы. Цифровой выход (I2C) полностью гальванически разделен от сети — безопасно для Arduino.

Максимальный ток нагрузки — 12 А, калибровка — до 4 А (для точного измерения малых токов в режиме ожидания).

Схема подключения

Dr. Wattson	Arduino UNO
SCL	A5
SDA	A4
ZCD (Zero Cross Detect)	Не используется
Event	Не используется
GND	GND
VIN	5V
3.3V	3.3V
GND (второй)	GND (любой)

MicroSD (SPI): CLK→D13, MISO→D12, MOSI→D11, CS→D10 (по умолчанию).

Кнопка: один вывод → D4, второй → GND. Используется внутренний pull-up, инверсная логика (нажатие = LOW). Библиотека Button (Jack Christensen) обеспечивает антидребезг.

Светодиод: анод → D9 через 220 Ом, катод → GND.

Скетч: ключевые моменты

Библиотеки: Wire.h, UpbeatLabs_MCP39F521.h (GitHub: upbeatlabs/drwattson), SD.h, Button.h.

Инициализация (setup):

pinMode(LED, OUTPUT);
pinMode(CHIP_SELECT, OUTPUT);
if (!SD.begin(CHIP_SELECT)) { /* ошибка */ }
wattson.begin(); // I2C адрес по умолчанию 0x74

// Поиск свободного имени файла DATAxx.CSV
char filename[] = "DATA00.CSV";
for (uint8_t i = 0; i < 100; i++) {
  filename[4] = i/10 + '0';
  filename[5] = i%10 + '0';
  if (!SD.exists(filename)) break;
}

Основной цикл (loop):

myBtn.read();
if (myBtn.wasReleased()) {
  readData = !readData;
  digitalWrite(LED, readData);
}

if (readData) {
  UpbeatLabs_MCP39F521_Data data;
  UpbeatLabs_MCP39F521_FormattedData fData;
  if (wattson.read(&data, NULL) == SUCCESS) {
    wattson.convertRawData(&data, &fData);
    unsigned long ms = millis();

    // Запись в CSV
    File dataFile = SD.open(filename, FILE_WRITE);
    if (dataFile) {
      dataFile.print(ms); dataFile.print(",");
      dataFile.print(fData.currentRMS); dataFile.print(",");
      dataFile.print(fData.activePower); dataFile.print(",");
      dataFile.print(fData.reactivePower); dataFile.print(",");
      dataFile.println(fData.apparentPower);
      dataFile.close();
    }

    // Вывод в терминал (с очисткой экрана ANSI)
    Serial.write("\x1B""c"); // работает в `screen`, не в Serial Monitor
    wattson.printMCP39F521Data(&fData);
  }
}

Для удобного просмотра в реальном времени используйте терминал screen (Linux/macOS): screen /dev/ttyUSB0 9600.

Анализ данных в Excel

CSV-файлы легко открываются в Excel / LibreOffice Calc. Добавьте заголовки:

timestamp, currentRMS, activePower, reactivePower, apparentPower

Пример графика для лампы CFL 14W (холодный/горячий пуск): ток пик 0.21А → стабилизация 0.18А; активная мощность 17Вт → 14.2Вт. После разогрева пуск происходит быстрее.

Заключение и перспективы

Dr. Wattson дает качественные энергоданные «из коробки» (калиброван), но открывает продвинутые функции:

• Процедуры перекалибровки
• Zero Crossing Detector (ZCD)
• События: переток, перегрузка, провал напряжения
• Изменение диапазона (бортовые резисторы, ТТ) и рекалибровка
• Несколько Dr. Wattson на одной шине I2C (настраиваемые адреса 0x74–0x77)

Идеален для проектов умного дома, аудита энергопотребления, научных экспериментов. Библиотека и примеры на GitHub: upbeatlabs/drwattson.

Полный скетч

Приведен в разделе «Code» проекта (несколько сниппетов и полный файл).