使用ESP12和Arduino开发板制作一款基于物联网IoT的电能表

风筝

大家都知道，在每个房子或办公室里面，都会安装有一块电能表来测量使用的电量。每个月的最后一天，很多人都会担心电费高，我们不得不偶尔看一下电能表。但是，如果我们能够监控世界各地的电力使用情况，并在电量达到阈值时收到短信/电子邮件提醒，那会怎么样呢？这里，我们介绍如何制作一款基于物联网的电能表项目。

在本篇文章中，我们使用Arduino开发板和ESP8266 Wi-Fi模块制作智能电能表，它不仅可以向您发送电费账单的短信/电子邮件，还可以随时随地监控能耗的使用情况。在这里，我们使用电流传感器ACS712来测量能耗。

我们将借助IFTTT平台将Wi-Fi链接到SMS /电子邮件通知。我们还将使用MQTT Dashboard Android App来监控能耗使用情况。是不是很期待？让我们开始吧......

所需的材料

●     Arduino Uno开发板

●     ESP12 / NodeMCU模块

●     30A电流传感器ACS712

●     AC设备

●     连接导线

ACS712电流传感器的工作原理

在我们开始制作项目之前，了解ACS712电流传感器的工作原理非常重要，因为它是项目的关键组成部分。由于噪声以及不正确的隔离问题等，测量电流尤其是交流电流，一直是一项艰巨的任务。但是，借助这款由Allegro设计的ACS712模块，测量电流将会变得非常容易。

该模块的工作原理是由Edwin Hall博士发现的霍尔效应原理。根据他的原理，当载流导体置于磁场中时，在其垂直于电流和磁场方向的边缘上产生电压。我们不要深入了解这个概念，只需知道使用霍尔传感器来测量载流导体周围的磁场。这个测量将以毫伏为单位，我们称之为霍尔电压。该测量的霍尔电压与流过导体的电流成比例。

使用ACS712电流传感器的主要优点是可以测量交流和直流电流，还可以在负载（交流/直流负载）和测量单元（微控制器部件）之间提供隔离。如图所示，模块上有三个引脚，分别为Vcc、Vout和Ground。

电流传感器模块ACS712-5A

两针的接线端子是载流导线应通过的地方。模块工作在+ 5V，因此Vcc应由5V供电，接地应连接到系统的接地。 Vout引脚的偏移电压为2500mV，这意味着当没有电流流过导线时，输出电压将为2500mV；当电流为正时，电压将大于2500mV，当电流为负时，电压小于2500mV。

我们将使用Arduino的模拟引脚读取模块的输出电压（Vout），当没有电流流过电线时，输出电压为512（2500mV）。当电流沿负方向流动时，该值将减小，并且随着电流在正方向上流动，该值将增加。下表将帮助您了解输出电压和ADC值如何根据流过电线的电流而变化。

这些值是根据ACS712数据表中给出的信息计算的。您还可以使用以下公式计算它们：

1. Vout Voltage(mV) = (ADC Value/  1023)*5000
   
2. Current Through the Wire (A) = (Vout(mv)-2500)/185

复制代码

现在，我们知道ACS712传感器的工作原理以及可以用它实现哪些功能。我们来看项目的电路图。

电路原理图

以上给出了使用Arduino和NodeMCU制作的基于物联网的电能表的电路图，与ESP12的连接方式如下：

连接ESP12的Rx - > Arduino的Tx。

连接ESP12的Tx - > Arduino的Rx。

在NodeMCU（ESP12）中有一个模拟引脚，我们可以使用该引脚，但ESP系列的引脚可以输入最高3.3伏的电压。由于我们使用的电流传感器可以提供高达5伏的电压，因此可能会损坏Wi-Fi模块，这就是我们不使用独立NodeMCU的原因。

为了使电流传感器输出3.3V而不是5V，我们不能在电流传感器和NodeMCU的模拟引脚之间使用分压电路，因为正如我们上面讨论的那样，在2.5V输出电流传感器时，电流为0Amp。

因此，Arduino将通过模拟引脚读取当前传感器值，并使用串行通信将其发送到Wi-Fi模块ESP12。在NodeMCU的接收引脚上使用分压电路，使接收器引脚可以达到3.3电压电平。

为了监控我们在互联网上的能量使用情况，我们必须使用MQTT中间件。我们将使用MQTT中间件作为AdaFruit IO平台，并按照以下流程制作此物联网电能表：

1.    注册AdaFruit帐户以存储电表读数。

2.    在IFTTT中创建小程序，用于触发电能表的SMS /电子邮件

3.    编写Arduino和ESP12 Wi-Fi模块的代码。

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注册一个AdaFruit帐户用于通信

首先，我们将在AdaFruit IO中制作一个Feed。 Feed存储由IFTTT发送的数据。要制作一个Feed，请按以下步骤操作：

第1步： - 使用您的凭据登录Adafruit IO，或者如果您没有帐户，请注册一个账户。

第2步：点击My account -> Dashboard

第3步：单击Actions，然后单击Create a New Dashboard。

第4步：为您的Feed提供名称和说明，然后单击Create。

第5步：单击Key按钮，并记下AIO Keys，我们将在代码中使用此密钥。

第6步：单击“+”按钮创建一个新块，然后单击Gauge以显示电量使用情况。您还可以使用简单的文本框来显示电量。

第7步：现在，输入Feed的名称，然后单击“Create”。然后选择Feed并单击Next步骤。

第8步：在Block Setting块设置中，分别填写最小值和最大值为0和100，或者您可以根据需要进行修改。

第9步：成功创建了电量的Feed。现在，通过单击“+”符号创建显示Bill的Feed。

现在，我们可以使用IFTTT将AdaFruit IO链接到SMS / E-mail。

在IFTTT中创建小程序，用于触发电能表的SMS /电子邮件

第1步：使用您的凭据登录IFTTT。

第2步：在我的小程序上，单击“New Applet”.

第3步：点击+ this

第4步：搜索AdaFruit并单击它。

第5步：单击监控AdaFruit IO上的Feed。

第6步：选择Feed作为帐单，将Relationship作为“等于”以及您想要电子邮件的阈值。单击“Create action”。我用4作为我的阈值触发值。

第7步：点击+this。搜索G-mail并单击它并使用您的g-mail凭据登录。

第8步：点击send yourself an email。

第9步：如图所示编写主题和正文，然后单击以创建。

第10步：方法已经准备就绪。检查，然后单击Finish。

现在，我们完成了Web集成。接下来继续编写代码的部分..

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代码和说明

在ESP12和Arduino之间，我们采用的是串行通信方式。因此，我们必须为Arduino和NodeMCU编写代码，以实现发送和接收功能。

发送部分代码，即Arduino Uno代码：

完整的Arduino代码在本文的末尾处给出。我们将使用电流传感器库，可从此链接下载。

该库具有内置函数来计算电流。您可以编写代码来计算电流，但该库具有准确的电流测量算法。

首先，包含电流传感器的库：

1. #include“ACS712.h”

复制代码

声明一个数组来保存电量，以便将其发送到NodeMCU。

1. char watt [5];

复制代码

创建一个实例以在PIN A0处使用ACS712-30Amp。如果您使用20Amp或5 Amp，请更改第一个参数。

1. ACS712 sensor(ACS712_30A, A0);

复制代码

在setup()函数中，定义与NodeMCU通信波特率为115200。调用sensor.calibrate()函数校准电流传感器以获得准确的读数。

1. void setup() {
   
2.   Serial.begin(115200);
   
3.   sensor.calibrate();
   
4. }

复制代码

在loop()函数中，我们将调用sensor.getCurrentAC();函数获取电流值，然后存储在浮点变量I中。获得电流值后，使用P = V * I公式计算功率。我们使用230V是因为它是欧洲国家的通用标准，如有必要，请更改为您当地的标准。

1. void loop() {
   
2.   float V= 230;
   
3.   float I = sensor.getCurrentAC();
   
4.   float P = V * I;

复制代码

以下代码将功率转换为Wh。

1. last_time = current_time;
   
2.   current_time = millis();   
   
3.   Wh = Wh+  P *(( current_time -last_time) /3600000.0) ;

复制代码

现在，我们必须将此Wh转换为字符形式，以将其发送到NodeMCU，对于此，dtostrf()函数将float转换为char数组，以便可以轻松打印：

1.    dtostrf(Wh, 4, 2, watt);
   

复制代码

函数的格式为：

1. dtostrf(floatvar, StringLengthIncDecimalPoint, numVarsAfterDecimal, charbuf);

复制代码

使用Serial.write();函数将此字符数组写入串行缓冲区。这将向NodeMCU发送Wh值。

1. Serial.write(watt);
   
2.   delay(10000);
   
3. }

复制代码

接收部分（NodeMCU ESP12）的代码

对于本部分的代码，我们需要AdaFruit MQTT库，可以从此链接下载。

现在，打开Arduino IDE。转到examples -> AdaFruit MQTT library -> mqtt_esp8266

我们将根据AIO密钥和Wi-Fi凭证以及来自Arduino的传入串行数据编辑此代码。

首先，我们包括ESP12 Wi-Fi模块和AdaFruit MQTT的所有库。

1. #include <ESP8266WiFi.h>
   
2. #include "Adafruit_MQTT.h"
   
3. #include "Adafruit_MQTT_Client.h"

复制代码

我们为您的Wi-Fi定义SSID和密码，您可以根据该wifi连接ESp-12e。

1. #define WLAN_SSID       "xxxxxxxx"
   
2. #define WLAN_PASS       "xxxxxxxxxxx"

复制代码

本节定义了AdaFruit服务器和服务器端口，分别固定为“io.adafruit.com”和“1883”。

1. #define AIO_SERVER      "io.adafruit.com"
   
2. #define AIO_SERVERPORT  1883   

复制代码

将这些字段替换为您在制作Feed时从AdaFruit网站复制的用户名和AIO密钥。

1. #define AIO_USERNAME    "********"
   
2. #define AIO_KEY         "******************************"

复制代码

然后我们创建了一个ESP12 WiFiClient类来连接到MQTT服务器。

1. WiFiClient client;

复制代码

通过传入WiFi客户端和MQTT服务器以及登录详细信息来设置MQTT客户端类。

1. Adafruit_MQTT_Client mqtt(&client, AIO_SERVER, AIO_SERVERPORT, AIO_USERNAME, AIO_KEY);

复制代码

设置名为“power”和“bill”的Feed，以便发布更改。

1. Adafruit_MQTT_Publish Power = Adafruit_MQTT_Publish(&mqtt, AIO_USERNAME "/feeds/Power");
   
2. Adafruit_MQTT_Publish bill = Adafruit_MQTT_Publish(&mqtt, AIO_USERNAME "/feeds/bill");

复制代码

在setup函数中，我们将Wi-Fi模块连接到Wi-Fi接入点。

1. void setup() {
   
2.   Serial.begin(115200);
   
3.   delay(10);
   
4.   Serial.println(F("Adafruit MQTT demo"));
   
5.   // Connect to WiFi access point.
   
6.   Serial.println(); Serial.println();
   
7.   Serial.print("Connecting to ");
   
8.   Serial.println(WLAN_SSID);
   
9.   WiFi.begin(WLAN_SSID, WLAN_PASS);
   
10. ….
    
11. ….
    
12. …
    
13. }

复制代码

在loop()函数中，我们将检查来自Arduino的传入数据并将此数据发布到AdaFruit IO。

1. void loop() {
   
2.   // Ensure the connection to the MQTT server is alive (this will make the first
   
3.   // connection and automatically reconnect when disconnected).  See the MQTT_connect
   
4.   // function definition further below.
   
5.   MQTT_connect();
   
6. 
   
7. int i=0;
   
8. float watt1;

复制代码

此函数检查来自Arduino的传入数据，并使用serial.read()函数将此数据存储到watt []数组中。

1. if(Serial.available() > 0 ){
   
2.    delay(100); //allows all serial sent to be received together
   
3.     while(Serial.available() && i<5) {
   
4.      watt[i++] = Serial.read();
   
5.     }
   
6.     watt[i++]='\0';
   
7.   }

复制代码

atof()函数将字符转换为浮点值，我们将此浮点值存储在另一个浮点变量watt1中。

1. watt1 = atof(watt);

复制代码

通过将功率（以Wh计）与能量费率相乘来计算账单金额，并将其除以1000以使功率以KWh为单位。

1.   bill_amount = watt1 * (energyTariff/1000);      // 1unit = 1kwH

复制代码

现在我们可以发布内容！

1.   Serial.print(F("\nSending Power val "));
   
2.   Serial.println(watt1);
   
3.   Serial.print("...");

复制代码

这段代码是将功率值发布到Power Feed

1.   if (! Power.publish(watt1)) {
   
2.     Serial.println(F("Failed"));
   
3.   } else {
   
4.     Serial.println(F("OK!"));
   
5.   }

复制代码

这将把电费账单发布到bill feed。

1.    if (! bill.publish(bill_amount)) {
   
2.     Serial.println(F("Failed"));
   
3.   } else {
   
4.     Serial.println(F("OK!"));
   
5. }

复制代码

我们的bill值可能会快速变化，但IFTTT需要时间才能触发applet，因此这些代码将为触发提供时间，以便我们可以接收阈值电子邮件。

更改要获取电子邮件的bill_amount值。此外，更改IFTTT AdaFruit IO设置。

1. if (bill_amount==4){
   
2. for (int i =0; i<=2; i++)
   
3. {
   
4.   bill.publish(bill_amount);
   
5. delay(5000);
   
6. }
   
7. bill_amount =6;
   
8. }

复制代码

现在，将代码上传到两个开发板。按照电路图和Open io.adafruit.com中所示连接硬件。打开刚刚创建的仪表板dashboard。您将看到功耗和电费账单正在更新。

当您的账单达到4卢比时，您将收到这样的电子邮件。

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监控电量的Android App

我们可以使用Android App监控这些值。从此链接下载MQTT Dashboard Android应用程序。

要设置与io.adafruit.com的连接，请按照下列步骤操作：

第1步：打开应用程序，然后单击“+”符号。填写Client ID。服务器和端口保持和屏幕截图保持一致。您将从AdaFruit IO仪表板获取用户名和密码（活动密钥），如下所示。

Active Key是您的密码。

步骤2：选择Electricity Meter，然后选择Subscribe。在订阅中，给名称和主题起个名字。主题格式为“yourusername”/ feeds /'feedname'，然后点击“Create”。

第3步：以同样的方式，制作bill feed订阅。

第4步：当您的设备消耗能量时，更新的值将显示在Power和Bill下。

以上内容就是创建智能电能表的方法，它不仅可以在世界任何地方进行监控，还可以在电量消耗较高时触发电子邮件。

代码

本篇文章使用的完成代码如下： main.rar (1.45 KB, 下载次数: 55)

2018-7-19 15:38 上传

点击文件名下载附件

FarGood2002

风筝 发表于 2018-7-19 15:09
代码和说明在ESP12和Arduino之间，我们采用的是串行通信方式。因此，我们必须为Arduino和NodeMCU编写代码， ...

请问一下楼主，为什么我把ACS712 sensor(ACS712_30A, A0);改为ACS712 sensor(ACS712_5A, A0);时这行代码又不行了呢