Nous avons commencé à développer un compteur d’énergie fiable et convivial basé sur le microcontrôleur ESP32. Dans notre article précédent, " Prototypage d’un compteur d’énergie basé sur l’ESP32 ", nous avons discuté des exigences de conception initiales, du schéma fonctionnel et de l’idée de départ de ce projet. Avant de faire le point sur ce projet, récapitulons. Le schéma fonctionnel du compteur d’énergie est illustré dans la figure 1.

Figure 1: Rendering of the Elektor Energy Meter.

Nous nous sommes concentrés sur la surveillance de la consommation électrique en temps réel, en mettant l’accent sur la sécurité et l’accessibilité financière. Pour que la mesure de l’énergie soit précise, nous avons opté pour l’ATM90E32AS d’Atmel, un circuit intégré de comptage d’énergie polyphasée. Ce circuit intégré reçoit la tension monophasée du secteur et utilise des transformateurs de courant ouvrants pour mesurer le courant en toute sécurité. Nous avons choisi le microcontrôleur ESP32 car il est doté d’une fonction Wifi intégrée et est très abordables par rapport à d’autres microcontrôleurs. La figure 2 présente le diagramme actuel du projet. Les dimensions prévue du compteur d’énergie final est de 100×80×30 mm ( L×l×h), mais, pour le prototype, notre circuit imprimé est de 100×100 mm. Le but de concevoir ce prototype est de prouver le concept et, par la suite, si nous réussissons, nous réduirons les dimensions à 100×80 mm ou même moins pour la version finale. L’objectif principal de la fabrication de ce compteur d’énergie était de créer un appareil compatible avec l’IdO, abordable, capable d’effectuer des mesures précises et de fournir des données énergétiques en temps réel à l’utilisateur via un appareil mobile, de sorte que l’utilisateur puisse suivre sa consommation d’énergie en temps réel et améliorer sa consommation d’énergie.
 
Dans cet article, nous examinons plus en détail l’évolution du projet, en mettant l’accent sur le schéma, l’isolation du circuit et les améliorations principales que nous avons apportées depuis notre idée initiale.

Figure 2. Schéma fonctionnel du compteur d’énergie d’Elektor.

Schéma

Le cœur de notre projet réside dans son schéma. Le microcontrôleur ESP32 reste au cœur de notre circuits, permettant un interfaçage transparent avec l’ATM90E32AS pour la mesure de l’énergie. Notre schéma mis à jour reflète une approche plus rationalisée, réduisant le bruit et améliorant l’intégrité du signal, l’isolation du circuit, et plus encore. La figure 3 présente le schéma complet du projet.
 
Le circuit ATM90E32AS (IC1) est au cœur de ce projet, il connecte la tension secteur avec sept résistances de 240 k (R1...R7) aux broches V1P, V2P, et V3P. Pour simplifier : toutes ces broches seront alimentées par la tension monophasée du secteur. Vous pourriez vous demander pourquoi ne pas utiliser un transformateur au lieu de ces résistances ? Parce que nous avons des contraintes de taille et de coût liées à l’approche que nous avons adoptée. Outre leurs dimensions réduites, les résistances présentent un autre avantage, à savoir un retard de phase moins élevé. Les transformateurs peuvent introduire un retard de phase entre les enroulements primaire et secondaire, ce qui peut affecter la synchronisation et la précision des relevés de tension lors des mesures d’énergie. L’utilisation de résistances permet de réduire considérablement ce retard de phase, ce qui peut améliorer la précision des relevés de tension en temps réel. Cependant, l’utilisation de ces résistances en série présente un inconvénient majeur : l’absence d’isolation galvanique. Nous y reviendrons plus loin dans cet article. 
 

Figure 3. Schéma du circuit.

Passons maintenant à la mesure du courant : nous utiliserons des transformateurs à bobine (TC). Les connecteurs K1-K3 sont des connecteurs jack audio auxquels sera connecté le SCT013 de YHDC, qui est un transformateur de courant ouvrant (voir figure 4). Nous avons choisi ce transformateur pour son coût avantageux, sa facilité d’utilisation et ses caractéristiques non invasives.
 
Le compteur d’énergie est alimenté par deux modules Hi-Link HLK-5M05 ACDC1/2, afin d’assurer une isolation galvanique entre le microcontrôleur et le circuit du compteur d’énergie, protégeant ainsi des risques de haute tension. Les régulateurs AMS1117-3.3 fournissent une alimentation stable de 3,3 V, nécessaire à l’ESP32 et à d’autres composants basse tension. La sécurité est encore renforcée par des fusibles (F1) pour la protection contre les surintensités et une varistance à oxyde métallique (MOV) (R23) contre les crêtes de tension. Pour le diagnostic, les LED1 et LED2 indiquent l’état de l’alimentation et du fonctionnement. Le connecteur K6 est relié à toutes les sorties du  microcontrôleur pour le débogage.

Figure 4. Le YHDC SCT013. (Source : YHDC)

Isolation du circuit

Dans le schéma, vous avez peut-être remarqué deux masses DC, GND et GNDA. La borne GND est connectée à IC1 et est également connectée au neutre du secteur. GNDA est une borne isolée connectée à l’ESP32-WROOM-32D, qui est MOD1. Pour des raisons de sécurité, il est impératif d’isoler l’ESP32 du neutre du secteur. IC1 n’ayant pas d’isolation galvanique, il est impératif d’isoler ces composants l’un de l’autre. Maintenant, la question est de savoir comment le signal SPI entre ces deux puces sera transmis. C’est ici que IC2, un ADuM3151 d’Analog Devices, entre en jeu.
 
L’ADuM3151 joue un rôle principal pour assurer une communication sécurisée entre IC1 et l’ESP32-WROOM-32D, en assurant l’isolation galvanique des lignes SPI. La figure 5 présente le schéma fonctionnel de l’IC2. Il utilise des coupleurs inductifs pour transmettre les signaux numériques à travers une barrière d’isolement, protégeant efficacement l’ESP32 connectée à l’ordinateur des transitoires haute tension du secteur. Ce choix est crucial pour éviter les dommages pendant la programmation et le débogage, tandis que sa capacité à prendre en charge plusieurs canaux isolés garantit une communication SPI fiable et sécurisée, préservant l’intégrité des données et s’alignant sur les objectifs de sécurité et de performance du projet.
 

Figure 5. Schéma fonctionnel du SPIsolateur ADuM3151. (Source : Analog Devices)

Interface utilisateur

Nous avons conçu l’interface utilisateur informative et conviviale pour le compteur d’énergie basé sur l’ESP32. Un écran OLED, connecté au connecteur K5, qui est interfacé avec les broches I2C de l’ESP32, servira d’afficheur principal. Cet écran affichera toutes les données pertinentes à l’utilisateur en temps réel, y compris les mesures de consommation d’énergie et l’état du système. Le choix de la technologie OLED garantit une visibilité claire et une interface conviviale. 
 
En plus de l’écran, le projet propose un serveur web hébergé sur l’ESP32. Cette interface web reproduira les données affichées sur l’écran OLED, offrant ainsi aux utilisateurs un autre moyen de contrôler leur consommation d’énergie. L’équipe de développement se consacre à la création d’une interface utilisateur web et d’une expérience utilisateur conviviales, garantissant l’accessibilité et l’exhaustivité de l’affichage de données. Ces deux interfaces permettent aux utilisateurs d’interagir avec le compteur d’énergie à la fois avec le matériel et à distance, améliorant ainsi la convivialité globale du système. 

Prochaines étapes

Alors que le projet avance, nous avons envoyé la conception initiale du circuit imprimé à la fabrication. À sa réception, nous nous concentrerons sur le micrologiciel du projet. Le développement du micrologiciel consistera à programmer l’ESP32 pour qu’il traite et affiche avec précision les données de consommation d’énergie, qu’il gère le serveur web et qu’il garantisse une communication fluide entre tous les composants.
 
Dans le futur, nous envisageons d’intégrer des fonctionnalités supplémentaires afin d’améliorer le fonctionnement du compteur d’énergie. Il s’agira notamment d’ajouter :

  • Une surveillance à distance : permettant aux utilisateurs de vérifier leurs données de consommation d’énergie à distance où via l’interface web.
  • Des alertes et notifications : implémentation d’un système permettant d’alerter les utilisateurs en cas de profils de consommation d’énergie inhabituels ou de problèmes potentiels du système
  • Des outils d’analyse de données : intégration d’outils d’analyse dans l’interface web pour aider les utilisateurs à comprendre les tendances de leur consommation d’énergie et à identifier les possibilités d’amélioration de l’efficacité. 

Nous nous engageons à améliorer et à innover en permanence, en tenant compte du retour des utilisateurs pour orienter les améliorations futures. L’objectif est non seulement de fournir un appareil fiable de mesure de la consommation, mais aussi de permettre aux utilisateurs de mieux surveiller leur consommation d’énergie, ce qui permet la prise de conscience et l’efficacité.

 

Cet article a été publié à l'origine dans Elektor de janvier/février 2024 (230709). Découvrez la série de compteurs d'énergie basés sur ESP32.

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