利用ESP32构建一个智能电表和远程开关

在喀拉拉邦，与印度大多数地区一样，电费账单每两个月寄一次。这形成了一种奇怪的反馈循环：账单一到，大家都会对金额感到震惊，家庭会因此更加注意节约用电，但随后又因接下来六十天内没有新的通知信号而毫无改变。到了那时，人们甚至已经记不清空调是哪一周整夜运行的了。

类似的问题也存在于更日常的小场景中：你正走在半路，却记不清是关掉了熨斗还是水泵。大多数人会转身回去检查。

我们希望打造一个能解决这两个问题的系统：它不仅能实时显示当前的用电情况，还能让你无论身处何地，都能远程关闭某个负载设备。

它是如何工作的

IEMS 位于电源线和负载之间。ZMPT101B 模块测量线路电压，ACS712 哈尔效应传感器测量流向负载的电流。ESP32 采集这两个信号，将其相乘得到功率，并持续累加，最终计算出运行中的总千瓦时数。通过主电路中的继电器来切换负载。

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所有设备均直接由电源供电。一个小型交流转直流模块将 230 V 转换为 5 V，用于 ESP32、继电器和两个传感器，因此该装置仅需连接它已测量的两根电线即可。

接线方法

火线从电源引出，经过 ACS712 的螺丝端子，再通过继电器触点，最后连接到负载;零线则直接穿过。ZMPT101B 的输入端口分别接在火线和零线上，以检测完整的线路电压。

低压侧仅有三根信号线：ZMPT101B 输出连接至 GPIO 35，ACS712 输出连接至 GPIO 34，继电器输入来自 GPIO 32。两个传感器引脚均连接至 ADC1，只要 Wi-Fi 正在工作，ADC1 就会持续工作，而 ADC2 引脚则不会。

如果自行搭建，请注意以下事项。盒内每个模块均接触230 V交流电。在连接电源前，请先关闭供电，确保低压线路远离主电源端子，并在插上电源前盖好外壳。

固件

ESP32自带独立的Web服务器。只要在同一个网络中的任意手机或笔记本电脑上打开其IP地址，即可看到一个显示电压、电流、功率和总能量的简单页面，每秒刷新一次，同时附带一个用于切换继电器的按钮。

固件每500毫秒采集一组电流样本并计算平均值，从ZMPT101B库中读取有效值(RMS电压)，并据此计算出功率。每次读数都会增加到kWh计数器中的能量值。该计数器每分钟保存一次至闪存中，以防止断电时重置总能耗。

我们使用了Rob Tillaart开发的ACS712库以及Abdurraziq Bachmid编写的ZMPT101B库。ACS712库中的autoMidPoint()功能可在启动时自动确定传感器的零点，因此设备应默认在负载关闭状态下运行。ZMPT101B需要通过万用表进行校准，我们通过调整代码中的灵敏度值完成了校准。当读数低于50 V或10 mA时，系统会将其截断为零，避免仪表盘在未接通电源时出现杂音闪烁。

代码库中还有一个第二个脚本，每五秒向 Firebase 实时数据库推送一次模拟读数。我们使用它来构建和测试云端及应用端功能，而无需在实验台上使用真实的硬件设备。

该应用

这款移动应用使用 Expo 和 React Native 构建，由 Supabase 负责用户登录功能。其设计围绕人们管理账单的方式展开。

首页标签页显示你已节省的金额，以及你的用电量在高负荷、特殊负荷和轻负荷之间的分配情况。测量标签页提供预估账单，并带有一个滑块用于设置限额，同时设有开关选项，可选择在达到限额时触发警报或自动切断电源。控制标签页列出所有房间，每个房间都配有主开关、不同负载类型的独立开关，以及用于定时切换的计时器。这些计时器存储在 Supabase 表中，并具备行级安全保护，确保每个账户仅能看到自己的计划安排。

目前界面使用的是示例数据运行，下一步工作是将其连接到设备上的实时读数。

为整栋房屋进行设计

我们开发的设备是一个通道。整个系统的设计可扩展至整栋房屋。一个主 ESP32 位于配电箱内，每个房间配备两个从机模块：一个用于灯泡、风扇等轻负荷设备，另一个用于加热器、空调等重负荷设备。通过这种方式分担负载，可以在高峰时段关闭某个房间的重负荷，而不会导致该房间完全停电。

围栏

我们设计了一个两部分的机箱并进行了打印。底座两侧设有通风槽，用于排出电源产生的热量，一端有一个开口，用于接入主电源线缆。盖子上压印有IEMS标志，并通过四个角柱固定。

性能表现

我们将读数与万用表进行比对，电压保持在±2 V以内，电流在±0.2 A以内。从仪表盘切换耗时不到一秒。设备连续运行了超过72小时而无需重启，继电器在灯泡和风扇上完成了数百次循环，均无问题。

整个制作成本约为1,524卢比，其中ESP32和电压传感器的成本占了超过一半。

本文编译自hackster.io