โปรเจกต์ ระบบ Smart Energy Consumption Meter | IoT

Smart Energy Consumption Meter

ไฟฟ้าเป็นส่วนสำคัญของโลก ในปัจจุบันมีการใช้เครื่องจักรไฟฟ้าอยู่ทุกวัน ดังนั้นผลกระทบของการบริโภคไฟฟ้าจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง นี่คืออุปกรณ์ Smart ที่เชื่อมต่อกับ Internet และแสดงผลการใช้ Energy แบบ Real-time ผ่าน hosted website

อย่างไรก็ตาม การวัดพลังงานที่ผู้ใช้บริโภคเพื่อนำไปจดมิเตอร์และออกบิลนั้นเป็นสิ่งจำเป็น เราจึงได้นำเสนอไอเดียเพื่อแก้ปัญหานี้อย่างชาญฉลาด โดยมีกระบวนการ IOT เพื่อตรวจสอบการใช้งานปัจจุบันและทำให้ทราบถึง Energy consumption ของอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ภายในบ้าน

การทำงานเดียวกันนี้สามารถทำได้โดยใช้ IOT-Based Smart Electricity Consumption Meter โดยไม่ต้องใช้คนเข้ามาเกี่ยวข้อง ระบบนี้ควบคุมโดยโมดูล Microcontroller Node MCU ESP-32 ซึ่งใช้ในระบบ SECM system เพื่อใช้ในการประมวลผลค่าจาก Current Sensor

ในกิจกรรมประจำวัน ไฟฟ้าถือเป็นสิ่งจำเป็นมาก การติดตามการใช้พลังงานกลายเป็นงานที่เสียเวลา เพราะจำเป็นต้องเดินทางไปยังห้องจดมิเตอร์เพื่อบันทึกค่า การอนุญาตให้ผู้ใช้ตรวจสอบมิเตอร์ผ่าน Internet ช่วยให้ระบบเป็น Automation และหลีกเลี่ยงปัญหาต่างๆ ในกรณีศึกษานี้ เราได้รวบรวมข้อมูลมากมายที่เกี่ยวข้องกับ IOT และไฟฟ้า ภายใต้แนวคิด Smart Energy Consumption Meter บนพื้นฐานของ Internet of Things

Introduction to IOT

นี่คือระบบ Smart สำหรับบริหารจัดการ Energy consumption ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ระบบเริ่มต้นด้วย ESP32 พร้อมกับ Current Sensor ซึ่งวัดกระแสไฟฟ้าและจำนวน Unit จากมิเตอร์ของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ จากนั้นส่งข้อมูลที่วิเคราะห์แล้วไปยัง Web Application ข้อมูลจะถูกเก็บไว้บน Cloud ทำให้ข้อมูลได้รับการปกป้องและมีความปลอดภัย

Smart Energy Consumption Meter เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เก็บข้อมูล เช่น ระดับ Voltage และ Power factor ขณะใช้งานไฟฟ้า โดยสื่อสารข้อมูลไปยังผู้ใช้เพื่อให้เข้าใจพฤติกรรมการใช้งานได้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยเฝ้าดูระบบ โดยปกติแล้ว Smart meter จะมอนิเตอร์พลังงานแบบ Near real-time

Key Words: PZEM, IOT (Internet of Things), SECM, ESP-32, AC Current Sensor, CVMM.

Problem Scenario

วัตถุประสงค์ของโปรเจกต์คือเพื่อดู Energy consumption ของอุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้านและจัดการการใช้งาน ผลที่ได้คือคุณสามารถดูการใช้งานปัจจุบันและบริหารจัดการการใช้ไฟฟ้าได้ตามที่ผู้ใช้ต้องการ หน้าที่หลักของการไฟฟ้าคือการผลิตและแจกจ่ายพลังงาน อย่างไรก็ตาม ไม่มีการระบุแยกย่อยการใช้กระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์ในบ้านแต่ละชิ้นที่ใช้ในทุกๆ วัน ดังนั้น Smart Energy Consumption Meter จึงเป็นอุปกรณ์ที่ยอดเยี่ยมในการวัด Energy consumption ของอุปกรณ์ไฟฟ้าในครัวเรือน

Objectives

Smart meter เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่บันทึกข้อมูล เช่น ปริมาณไฟฟ้าที่ใช้, ระดับ Voltage, กระแสที่ไหลผ่าน และ Power factor อุปกรณ์ Smart meter ให้ข้อมูลแก่ผู้บริโภค ทำให้เห็นรูปแบบการใช้งานได้ชัดเจนขึ้น รวมถึงให้ข้อมูลแก่ผู้ให้บริการพลังงานเพื่อใช้ในการมอนิเตอร์ระบบและออกบิลค่าไฟ

เมื่อพูดถึงฟังก์ชันของเครื่องมือที่เราออกแบบ เรามีความสามารถในการวัดการใช้ไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้าน แต่เพื่อให้ได้ค่าที่แม่นยำ เราจำเป็นต้องแยกการคำนวณและตรวจสอบค่าจากมิเตอร์ปัจจุบัน

Smart Energy Consumption Meter ของเราคือเครื่องมือที่ดีที่สุดในการใช้งานและตรวจสอบ Power consumption อย่างแม่นยำ คุณสามารถเปิดใช้งานอุปกรณ์ไฟฟ้าและทำงานได้ตามปกติ โดยสามารถตรวจสอบการใช้พลังงานจาก Website ดังที่แสดงด้านล่าง

การเข้าถึง Internet ที่บ้านอย่างสม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญ และตัวอุปกรณ์ต้องเชื่อมต่อกับ Internet ด้วย โดยสามารถวัด Power consumption ได้หลังจากป้อนค่าที่เกี่ยวข้อง เราสามารถวัดการใช้พลังงานรายวันและควบคุมไม่ให้เกิน Unit ที่กำหนด ช่วยให้คุณใช้ไฟฟ้าได้อย่างประหยัด

Advantages of the System

• ด้วยมิเตอร์ไฟฟ้าที่เป็นระบบ Computerized หรือ Smart meter เราจะได้รับค่าที่แม่นยำและเสถียรยิ่งขึ้น

• สามารถใช้จำกัด Energy consumption เมื่อทราบว่าการใช้ไฟฟ้าในบ้านเกิน Unit ที่กำหนด ช่วยประหยัดพลังงานและควบคุมการใช้ไฟ

• มอนิเตอร์ระบบไฟฟ้าได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

• มั่นใจในความปลอดภัยของบ้าน เพราะไม่จำเป็นต้องให้คนนอกเข้ามาจดมิเตอร์

Current Voltage Multimeter Module

นี่คือโมดูลทดสอบสำหรับการมอนิเตอร์ไฟฟ้าที่มี Split-core Current Transformer โมดูลนี้สามารถทดสอบ Power, Energy, Voltage และ Current จากนั้นแสดงผลบน PC หรือ Terminal อื่นๆ ด้วยฟีเจอร์ Reset เพียงปุ่มเดียว คุณสามารถ Reset สถิติพลังงานได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ยังสามารถเก็บข้อมูลเมื่อปิดไฟ และเก็บข้อมูลพลังงานก่อนปิดระบบ ทำให้ใช้งานสะดวกมาก รองรับการใช้งานร่วมกับตู้คัทเอาท์, ตู้ควบคุมไฟ, เครื่องรักษาระดับแรงดัน (Voltage regulator), สื่อการสอน และตู้ไฟขนาดเล็กในบ้าน

Features

• ช่วงทดสอบ Voltage AC 80-260V, แรงดันทำงาน 80-260V, กระแสสูงสุด 100A

• ฟังก์ชันวัดพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า ได้แก่ Voltage, Current, Active power และ Energy

• ออกแบบมาเพื่อทดสอบอุปกรณ์ High power และสามารถสังเกตกระบวนการสะสมพลังงานสำหรับโหลด Low-power (ภายใน 100W) ได้อย่างชัดเจน

• ติดตั้งอินเทอร์เฟซสื่อสารข้อมูล TTL Serial ทำให้สามารถอ่านและตั้งค่าพารามิเตอร์ผ่าน Serial port ได้

ระบบนี้มีข้อดีหลายประการ ช่วยให้สามารถประเมินคุณภาพของไฟฟ้าได้ สามารถระบุปัญหา เช่น Voltage drops, แรงดันเกิน (Swelling) และการเปลี่ยนผ่านของกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีศักยภาพในการลดประสิทธิภาพของพลังงานในสถานการณ์ที่มีปัญหา ซึ่งอาจนำไปสู่บิลค่าไฟที่สูงขึ้นและทำให้อุปกรณ์เสียหาย รวมถึงการทำงานผิดพลาดที่มีค่าใช้จ่ายสูง

Specifications

• Working Voltage: 80~260V AC

• Test Voltage: 80~260V AC

• Rated Power: 100A/22000W

• Working Frequency: 45-65Hz

• Measurement Accuracy: ±1.0%

• Board Size: 7.3x3cm/2.87x1.18"

• Current Transformer Size: 3.1x2.9x4.7cm/1.22x1.14x1.85"

• Wire Length: 20cm/7.87"

Fully Functioning Working Product

ด้านบนคือการ Setup เพื่อแสดงผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์ที่เราสร้างขึ้น ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ระบบนี้วัด Power consumption ของอุปกรณ์ ผู้อยู่อาศัยสามารถตรวจสอบได้โดยเชื่อมต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้าใดก็ได้ เราจึงใช้หลอดไฟเพื่อแสดงฟังก์ชันของระบบทั้งหมด สิ่งที่พิเศษคือ CT Sensor ถูกใช้งานภายนอกระบบ ส่วนระบบภายในประกอบด้วย Current-voltage multimeter และ Node MCU ระบบใช้ไฟจากสาย Neutral ไฟสำหรับหลอดไฟได้รับผ่าน Load ระบบทั้งหมดต้องได้รับแหล่งจ่ายไฟจากภายนอก (External power supply) เพื่อวัตถุประสงค์นี้ และสามารถเห็นผลลัพธ์ที่คาดหวังได้จาก Output

Smart Energy Meters Have a Lot of Benefits

• ไม่จำเป็นต้องจดมิเตอร์ด้วยตนเองอีกต่อไป

• เพิ่มความเร็วในการมอนิเตอร์ระบบไฟฟ้า

• ให้ข้อมูล Real-time เพื่อรักษาสมดุลของ Load ไฟฟ้าและลดปัญหาไฟดับ

• ช่วยให้ใช้ทรัพยากรไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

• ประหยัดงบประมาณจากการไม่ต้องสร้างโรงไฟฟ้าใหม่

Smart Energy Meters Have Drawbacks

• การเปลี่ยนผ่านไปสู่เทคโนโลยีและขั้นตอนใหม่ๆ

• การจัดการปฏิกิริยาของสาธารณชนต่อมิเตอร์รุ่นใหม่ รวมถึงการยอมรับของผู้บริโภค

• การจัดการและจัดเก็บข้อมูล Metering จำนวนมหาศาล

High-Level Architecture Diagram

ด้านบนคือ High-level architecture diagram ของระบบที่เราสร้างขึ้น ตามรายละเอียดนี้ หลอดไฟ (Bulb), CT Sensor, Multimeter, Node MCU และ Web Server มีความสำคัญอย่างยิ่ง ขั้นตอนการทำงานของระบบมีดังนี้

ต้องมีแหล่งจ่ายไฟภายนอกให้กับระบบทั้งหมด CT Sensor ควรติดตั้งเข้ากับอุปกรณ์ที่ต้องการวัด Energy consumption ตามแผนภาพเราใช้หลอดไฟ พลังงานที่จ่ายให้จะเดินทางไปยัง CT Sensor

เมื่อสิ้นสุดการทำงาน ข้อมูลจะถูกส่งไปยัง Web Server แต่ในบางครั้ง Web Server อาจล่มได้ หากเกิดเหตุการณ์นั้น ข้อมูลทั้งหมดจะสูญหาย ด้วยเหตุนี้ เราจึงตั้งใจที่จะเก็บข้อมูลทั้งหมดไว้ใน Database เพื่อป้องกันปัญหานี้ ดังนั้นแม้ว่า Web Server จะเสีย ข้อมูลก็จะปลอดภัยเพราะอยู่ใน Database จากนั้นเราสามารถดึงข้อมูลผ่าน System unit เมื่อต้องการได้

Functional Block Diagram

เส้นและบล็อกถูกใช้เพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบหลักของระบบ หรือฟังก์ชันบล็อกต่างๆ บล็อกเหล่านี้เชื่อมต่อกันด้วยเส้น แผนภาพประเภทนี้เรียกว่า Block Diagram ซึ่งมักใช้ในการออกแบบ Hardware, Electronic และ Software ด้านบนคือ Block Diagram ที่เกี่ยวข้องกับระบบที่เราสร้างขึ้น

ในแผนภาพจะเห็นด้านหนึ่งเป็น CT, N และ L โดย CT คือ CT Sensor, N คือสาย Neutral และ L คือสายสำหรับฝั่ง Load ซึ่งทั้งหมดเชื่อมต่อกับ Multimeter จากนั้น Multimeter จะจ่ายกระแส AC ให้กับระบบวัดผล

Networking

แผนภาพ Network สำหรับระบบทั้งหมดแสดงอยู่ด้านบน ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักหลายส่วน โดยออกแบบมาเพื่อให้ CT Sensor ส่งข้อมูลไปยัง Node MCU และให้บริการไปยัง Host server ด้วยความช่วยเหลือของ Wi-Fi router

ขั้นตอนการทำงานอธิบายได้ดังนี้ ข้อมูลที่คำนวณได้จะรับมาจาก CT Sensor ด้วยความช่วยเหลือของ Multimeter สายไฟสีแดงและดำใน CT Sensor จะเชื่อมต่อกับพอร์ตของ Node MCU จากนั้น Wi-Fi router จะเริ่มทำงานเมื่อได้รับไฟเลี้ยง เมื่อตั้งค่า Wi-Fi ด้วย Node MCU แล้ว ข้อมูลจะถูกส่งไปยัง Hosted server ผ่าน CT Sensor

Hosted server คือ Website ที่จดโดเมนไว้ ข้อมูลที่ป้อนจะถูกเก็บใน Database ผ่าน PHP Script เหตุผลที่ใช้ PHP Script คือเพื่อให้มีระบบ PHP Login สำหรับระบบ ข้อมูลนี้จะถูกรับผ่าน PC ของ Client ผ่าน PHP Script เช่นกัน ช่วยให้ Client สามารถดูข้อมูลและประมวลผลได้

Screenshots of the WEB Application

Web Application พัฒนาโดยใช้ภาษาคอมพิวเตอร์ HTML\CSS & PHP โดยโฮสต์อยู่บนโดเมนฟรี ลิงก์อยู่ด้านล่างคุณสามารถเข้าชมเว็บไซต์ได้;

Website:http://www.vishwasdiaries.c1.biz/EnergyMeter/

Sign-in Page

เหตุผลหลักที่ระบบนี้ไม่ซับซ้อนเพราะทำงานผ่าน Web Application เพียงแค่ใช้ปลายนิ้วสัมผัส เนื่องจากเป็น Web Application จึงสามารถเข้าถึงได้จากทุกที่ ไม่ว่าจะเป็นโทรศัพท์มือถือ, Laptop หรือระบบ Android เพื่อให้ง่ายและเข้าใจได้สำหรับผู้ใช้ เราได้รวมหน้า Interface เพียงไม่กี่หน้าไว้ใน Web Application เพื่อให้สามารถเข้าใจรายละเอียดทั้งหมดได้ในทันทีโดยไม่ต้องสร้าง Interface ขนาดใหญ่

ด้านบนคือหน้า Login ที่ผู้ใช้สามารถเข้าถึงระบบได้ตาม Interface ที่สร้างไว้ ทุกคนสามารถเข้าสู่ระบบได้โดยกรอก Username และ Password

Dashboard Page

เมื่อกรอก Username และ Password แล้ว ผู้ใช้จะเข้าสู่ระบบและถูกส่งไปยัง Dashboard ซึ่งแบ่งออกเป็น 4 หมวดหลัก ได้แก่ การใช้ Voltage, การใช้ Current draw, การใช้ Power draw และการใช้ Frequency การแบ่งกลุ่มนี้ช่วยให้ผู้ใช้เห็นได้อย่างชัดเจนว่าใช้ไฟฟ้าไปเท่าไหร่ต่อเดือน

นี่คือเหตุผลที่ระบบนี้มีความพิเศษ เพราะมีความชัดเจนและแม่นยำยิ่งขึ้น นอกจากนี้ Energy consumption ของเดือนนั้นจะแสดงในคอลัมน์แยกต่างหาก และได้เพิ่มไอคอน Logout ในหน้า Dashboard เพื่อให้ผู้ใช้สามารถออกจากระบบได้อย่างปลอดภัยหลังจากเสร็จสิ้นภารกิจ

Future Implementation

ระบบนี้มีความสำคัญในการควบคุม Power consumption ของอุปกรณ์ที่ใช้พลังงาน เช่น เครื่องทำความร้อน และพัดลมระบายความร้อน รวมถึงการมอนิเตอร์การใช้งานด้วย ดังนั้นจึงสามารถใช้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่น อุปกรณ์ทำความเย็น การจัดการพลังงานสามารถลดต้นทุนได้อย่างมาก ช่วยให้สิ่งต่างๆ ง่ายขึ้นในโลกปัจจุบัน

มันเป็นประโยชน์ต่อโลกปัจจุบันอย่างมาก ระบบดังกล่าวช่วยให้มอนิเตอร์ได้ง่ายขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป อุปกรณ์นี้ช่วยให้คำนวณการใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนได้ง่าย เช่นเดียวกับการมอนิเตอร์การใช้ไฟฟ้าในสถานที่อย่างอาคารชุดขนาดใหญ่ สามารถคำนวณ Unit ไฟฟ้าได้ตลอดเวลาและวัดค่าเฉลี่ยของจำนวน Unit ในการใช้ไฟฟ้าต่อเดือน โดยปกติเจ้าหน้าที่จะมาที่บ้านเพื่ออ่านบิลค่าไฟฟ้าเพื่อวัดจำนวน Unit และจ่ายตามบิลนั้น แต่ด้วยระบบนี้เราสามารถคำนวณจำนวน Unit ของไฟฟ้าที่ใช้ในบิลรายเดือนของเราได้เอง ช่วยให้เราควบคุมการใช้พลังงานที่ไม่จำเป็นได้

วิธีนี้ยังเหมาะกับความปลอดภัยของบ้าน นอกจากนี้ เมื่อเจ้าหน้าที่มาที่บ้านและออกบิลค่าไฟรายเดือน จะมีการสิ้นเปลืองกระดาษจำนวนมาก การพัฒนาระบบนี้ยังสามารถใช้เป็นทางออกสำหรับปัญหาการขาดแคลนกระดาษในปัจจุบัน การพัฒนาระบบดังกล่าวทำให้ไม่จำเป็นต้องเก็บกระดาษที่ไม่ต้องการไว้ในบ้าน

นอกจากนี้ เมื่อเจ้าหน้าที่มาที่บ้านเพื่ออ่านบิลรายเดือน พวกเขาต้องได้รับค่าตอบแทนที่สูง แต่ด้วยระบบที่เราสร้างขึ้น นี่คือทางออกที่ยอดเยี่ยม ระบบเป็นแบบ Digitized ทั้งหมดเพื่อให้ทุกคนสามารถอ่านได้ง่าย ผู้อยู่อาศัยสามารถอ่านและดูค่าจากมิเตอร์ได้ทุกเมื่อที่ต้องการ และยังระบุจำนวนวันที่ใช้ไป รัฐบาลต้องใช้จ่ายเงินจำนวนมากสำหรับกระบวนการจดมิเตอร์แบบเดิม ระบบนี้สามารถช่วยรัฐบาลประหยัดเงินได้มาก ซึ่งสามารถนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่นได้

เช่นเดียวกับการจัดการเวลา (Time management) ด้วยวิธีนี้สามารถอธิบายได้ว่าการใช้ Smart meter box นั้นมีข้อดีมากกว่าวิธีอื่นอย่างมาก