Energieverbruik monitoren met Modbus, MKR WiFi 1010 & RS485

Onderdelen en benodigdheden

• Arduino MKR WiFi 1010 – 1 stuk
• Arduino MKR 485 Shield – 1 stuk
• USB-A naar Micro-USB kabel – 1 stuk
• USB Voeding – 1 stuk (elke compatibele voeding. MKR485 shield heeft 7-24V buck converter ingebouwd)
• Gedraaide enkelparig afgeschermde kabel – 1 stuk

Benodigde tools en machines

• Digilent Mastech MS8217 Autorange Digitale Multimeter
• Elektroloks schaar
• Kleine platte schroevendraaier (voor MKR485 klemmen)
• Middelgrote kruiskopschroevendraaier

Apps en online diensten

• Home Assistant
• Arduino Web Editor
• MQTT

Over dit project

Als je je slim wilt maken, begin je waarschijnlijk bij je maandelijkse rekeningen (energie, gas, etc.). Zoals sommigen zeggen: Goed voor de Planeet, de Portemonnee en de Balans. Open-source hardware is onze weg naar duurzaamheid in de thuishuis! Dit idee bracht ons tot een eenvoudige, veilige oplossing, gemakkelijk te integreren met elke home automation software omdat het data via MQTT beschikbaar maakt (hier tonen we integratie met Home Assistant).

Overzicht

Om elektrisch energieverbruik te meten, kozen we de Finder Energiemeter, ontworpen voor DIN-rail montage en perfect passend in de hoofdkast. Het coole aan dit product: het heeft een RS485 Modbus interface, een industriële standaardcommunicatieprotocol wat communicatie met Arduino heel makkelijk maakt. Arduino heeft een officiële shield uitgebracht, de MKR485, en twee bibliotheken voor het decoderen van het protocol. Als hoofdboard gekozen: Arduino MKR WiFi 1010, deel van de MKR-formfactor en met WiFi-connectiviteit.

Installatie

Waarschuwing! Controleer je landelijke voorschriften over werken aan je huiselektriciteit en wees extreem voorzichtig – het kan dodelijk zijn! Als je niet weet hoe, bel een elektricien.

Eerst de meter in je elektrokast plaatsen. Voor veiligheid: zet de stroom uit vóór je systeem en controleer met de multimeter dat er geen spanning is tussen de klemmen.

Plaats de energiemeter in de kast en verbind fase en nul van de hoofddeler met de meter-invoer (kleurenconventie: blauw = nul, bruin/zwart/grijs = fase in EU). Uitgang naar rest van systeem.

RS485-aansluiting: gedraaide enkelparige kabel met ground (telefoonkabel). Kan tot 1.2 km, maar we gebruiken voldoende lengte om uit de kast te komen en Arduino bereikbaar te plaatsen.

RS485-klemmen: A, B, COM. MKR-shield ondersteunt ook Full Duplex (Y, Z). We klemmen op Y en Z want half-duplex communicatie gebeurt daar (volgens datasheet). COM verbinden met ISOGND. Schakelaars op MKR485 shield instellen: HALF (2 naar OFF) en terminatie op Y-Z (3 naar ON); de eerste schakelaar maakt niet uit. Terminatie = weerstand tussen data-klemmen voor demping van storingen.

Kast dicht, nu de software!

Software

IDE openen (Arduino IDE of Arduino Create). Code moet aan drie dingen voldoen:

• Modbus-communicatie
• WiFi-beheer
• MQTT-protocol

Modbus is een open protocol voor industriële sensoren/machines. We gebruiken de Arduino Modbus library die alle handlers inpakt en het koppelen van elk Modbus-apparaat snel maakt. Volgens de meter-datasheet vinden we functiecodes, registeradressen en registergrootte in woorden.

Hoe Modbus werkt:

Modbus-berichten volgen een simpele structuur:

01 03 04 00 16 00 02 25 C7

• 0x01 = Apparaatadres
• 0x03 = Functiecode (lezen/schrijven; hier: holding registers lezen)
• 0x04 = Byte Count (4 bytes registeradres: 00 16)
• 00 02 = Registergrootte in woorden (elk woord = 2 bytes)
• Laatste 4 bytes = CRC-code (wiskundige controle voor correcte ontvangst)

// Gemaakt door Alberto Perro - Officine Innesto
// Lees integer van een modbus-apparaat holding registers
float readCurrent() {
  float ampere = 0.;
  // Formateer verzoek en stuur via RS485
  if (!ModbusRTUClient.requestFrom(0x01, HOLDING_REGISTERS, 0x0016, 2)) {
    Serial.print("failed to read voltage! ");
    Serial.println(ModbusRTUClient.lastError());
  } else {
    uint16_t word1 = ModbusRTUClient.read(); // MSW uit buffer
    uint16_t word2 = ModbusRTUClient.read(); // LSW uit buffer
    int32_t milliamp = word1 << 16 | word2; // Samenvoegen tot 32-bit integer
    ampere = milliamp / 1000.0; // Omrekenen naar ampere
  }
  return ampere;
}

sensor:
  - platform: mqtt
    name: "Hoofdspanning"
    state_topic: "energy/main/voltage"
    unit_of_measurement: "V"