Pràctica de sensorització

Lectura de la intensitat eficaç del corrent elèctric amb els transductors SCT-013-000 i SCT-013-030 i la placa Arduino Nano 33 IoT

Alumne	Lluís Bernat Ladaria
Assignatura	11771 - Àrees d'aplicació d'IoT
	MUSI - UIB
Professor	Dr. Bartomeu Alorda Ladaria

---

Introducció

En aquesta pràctica de sensorització disposam de dos transductors de la famíla SCT-013 que permeten mesurar la intensitat del corrent que circula per dins del seu cor magnètic. Aprofitant que l'SCT-013-000 no integra la resistència de càrrega, en calcularem una per tal de poder mesurar amb aquest, intensitats màximes de l'odre dels 7 A eficaços i així obtenir una major precisió a les lectures que la que ofereix el seu germà SCT-013-030. A canvi però haurem de perdre rang de mesura.

Un microcontrolador Arduino fent servir la llibreria MUSIEmonLib que hem desenvolupat ad-hoc per aquest projecte en prendrà les mesures de forma periòdica. Aquestes lectures es transmetran de forma segura cap a un servidor MQTT que és el punt d'entrada a un ecosistema Influxdb + Grafana que ens permetrà explotar aquestes dades.

Arquitectura

Ambdós transductors SCT-013 estan connectats de forma independent a una placa microcontrolada Arduino Nano 33 IoT per mitjà de dos senzills circuits que acondicionen el senyal. El sensor SCT-013-030 ja du integrada una resistència de càrrega de 60 Ohm que li permet generar 1 V a la seva sortida si detecta un corrent de 30 A. Per contra el sensor SCT-030-000 no té resistència de càrrega, així que amb aquest darrer gaudim de la llibertat de poder-ne ajustar la seva sensibilitat i precisió, tot canviant el valor de la nova resistència de càrrega que li afegirem al seu circuit d'acondicionament del senyal.

El microcontrolador Arduino es connecta de forma segura (autenticació mútua amb mTLS) a un broker MQTT Mosquitto per tal de transmetre de forma encriptada els nivells de corrent mesurats periòdicament. Per a la realització del vídeo de la pràctica hem escollit un període de mostreig molt curt (10 segons) a fi de poder il·lustrar el funcionament durant el vídeo presentat. Evidentment pel cas general seria desitjable un període més llarg que podria ser entre 1 i 10 minuts depenent de la naturalesa del consum a mesurar i de les decisions a prendre.

La solució presentada consta de vàries entitats de software i dels dos petits circuits electrònics d'acondicionament del senyal que passam a descriure breument:

• MUSIEmonLib: llibreria que permet l'accés de lectura al sensor de corrent per tal d'estimar quin és el seu valor eficaç de corrent (IRMS). El codi de la llibreria està comentat i incorpora un exemple senzill. Fa ús de la llibreria EmonLib.

• SensorCurrent.ino: aquest és el cor de la pràctica. És l'encarregat de fer les cridades apropiades a la API MUSIEmonLib, i també de fer l'autenticació mútua, i encriptar el canal de comunicació amb el servidor MQTT. Requereix que la placa Arduino disposi d'un xip AtmelECCx08 (aquests xips ofereixen funcions d'encriptació), doncs la clau privada serà generada i custodiada per aquest xip i és el responsable de calcular les operacions de signatura que es fan amb aquesta clau.

• Shape.ino: petita utilitat que permet bolcar la forma de l'ona mostrejada cap a un servidor MQTT, per tal de poder-la visualitzar i efectuar controls visuals de qualitat del nostre montatge (bàsicament diagnóstic per mitjà de la forma de la ona mostrejada). Me va ser molt útil per entendre el perquè del renou als transductors.

• pki/: jerarquia de clau pública que dona suport a la part de comunicació segura mTLS. Dins el fitxer PKI.md hi ha les instruccions que s'han seguit per generar aquesta infraestructura.

• Circuit divisor de tensió + condensador de desacoblament: en aquest cas tenim dos circuits que generen una tensió d'aproximadament la meitat de la tensió que poden tractar els conversors ADC. Pel cas del Nano, són uns 1.65 Volts. Aquesta tensió serveix com a referència pel sensor de corrent, que es connecta per una banda a aquest punt mig i a la vegada a GND per mitjà d'un condensador de desacoblament (10 uF) i per l'altre cap a l'entrada de l'ADC. En el cas del transductor obert SCT-013-000 el circuit incorpora una resistència de càrrega calculada ad-hoc.

Càlcul de la resistència de càrrega de l'SCT-013-000

L'objectiu és mesurar intensitats de fins a 7 A (RMS). Per tant l'intensitat màxima serà:

Ipeak = Irms * sqrt(2) = 7 * 1.41 = 9.9 A

Observant que el transductor és bàsicament un solenoide amb 2000 voltes de fil:

Iinduïda = Ipeak / 2000 = 0.00495 A

I que el voltage màxim que podem mesurar amb un Arduino Nano amb aquest circuit divisor de tensió són Aref/2:

(Aref/2) / Iinduïda = 1.65 / 0.00495 = 333 Ohm

Escollim el valor 330 Ohm per ser el valor normalitzat just inferior.

Especificacions

Número de canals:	2
Sensibilitat Canal 1:	30A (IRMS) / 1V (mínim detectable 0.9 A eficaços)
Canal 2:	7A (IRMS) / 1V (mínim detectable 0.2 A eficaços)
Velocitat màx. de mostreig:	1148 mostres / s / canal
Temps màxim d'entrenament del filtre DC:	5000 ms / canal
Format del payload:	influxdb
Actualitzable OTA:	Sí. Cal compilar amb l'opció OTA_UPDATES habilitada. Definida a wifi-secrets.h

Codis d'error

La placa senyalitza els següents errors modulant una cadència del LED integrat:

Cadència LED	Descripció
.-.-.	Aquesta placa no disposa d'un xip de serveis criptològics o està avariat. Sistema aturat
.-.--	El xip d'encriptació no té gravada una configuració. Sistema aturat
.--..	El xip WiFi no funciona o aquesta placa no en disposa. Sistema aturat
.--.-	Les credencials WiFi no permeten la connexió. Es reintentarà en breu
.---.	El servei d'obtenció de la data encara no està disponible. Es reintentarà en breu
.-.--	El servidor MQTT no existeix o rebutja la connexió. Es reintentarà en breu

Dependències

• WiFiNINA (>=1.8.8)
• PubSubClient (>=2.8.0)
• BearSSLClient (>=1.7.0)
• ArduinoECCX08 (>=1.3.5)
• EmonLib (>=1.1.0)
• MUSIEmonLib (>=1.0.0)
• ArduinoOTA (>=1.0.6 només en el cas de desitjar actualitzacions OTA)

Per tal de (re)generar el fitxer musi-ca.h que conté les Trust Anchors (veure el final de PKI.md per a més detall), cal:

• Davallar la utilitat pycert_bearssl de la llibreria SSLClient

• I tenir un entorn Python3 amb les llibreries:

  • click (sudo pip install click)
  • PyOpenSSL (sudo pip install pyopenssl)
  • certifi (sudo pip install certifi)