DOU Проектор: smart-MAC - розумні лічильники для економії на комуналці

Привіт, я Володимир Павлов, один із авторів проекту та розробник у smart-MAC (Measure, Analyze, Control). Це розумні лічильники з хмарним сервером даних та веб-інструментами для аналізу та візуалізації даних.

Ідея

Я та ще один автор проекту Олексій Жогольов товаришуємо зі школи. Разом ходили на радіо-кружок, де паяли, та гурток програмування. З того часу це захоплення а-ля паяльник-програміст і залишилося. Нас весь час приваблювали «речі з інтернет-речей», насамперед те, чим хотіли користуватися самі. Наприклад, вже 12 років тому на наших авто стояли зібрані нами GPS-трекери з нами написаним ПЗ, на човнах — GPS спідометри, а в будинках — теплі підлоги з керуванням через інтернет.

Коли суттєво підвищилися тарифи на комунальні послуги, ми почали думати, а чому б не зробити таке рішення, яке б допомогло економити? І не лише нам, а й іншим. Насамперед задумалися про те, що потрібно всім — електроенергія.

У світі багато лічильників, які надають якісь дані. Але питання у тому, як агрегувати, архівувати та аналізувати ці дані? Вивести ці зібрані дані хоча б в один графік — чи то дуже трудомістко, чи то це рішення промислового рівня, які для простих людей ніяк не підходять. Одна річ — збирати інформацію в масштабах заводу, інша річ — побачити за хвилини, скільки ресурсів споживає квартира, будинок чи невелике кафе.

Ми всі отримуємо платіжки за електрику за місяць споживання, де бачимо загальну суму і все йди та плати. А ось скільки і коли ти витратив, куди і коли йшло - зовсім не ясно. Ми поставили за мету побачити споживання комунальних послуг домогосподарством з деталізацією до днів, тижнів, годин і навіть хвилин.

Реалізація

Пошукавши та вивчивши схожі рішення, побачили, що таких рішень за великим рахунком немає. Є кілька таких, які щось схоже роблять, але не надають потрібний нам функціонал. Максимум, що знайшли — індикаторні лічильники, які показують, скільки зараз квартира споживає. Ні про який збір архіву «в хмарі» не йшлося. Або це можна отримати, якщо встановити елемент системи розумного будинку, розгорнути сервер, контролер, підключити до нього лічильники. Але для цього необхідні чималі витрати, та й відповідні знання потрібні, так як такі елементи складні в обслуговуванні для простих користувачів.

Нам же хотілося, щоб рішення було не дорогим і доступним простим людям (а не лише ентузіастам-паяльникам), а також було мобільним за потреби. Адже не буде людина ставити розумний будинок на орендованій квартирі (як переїжджати?). Або ж малий і середній бізнес не ставитиме розумний будинок у своєму кафе або невеликому офісі, в орендованому приміщенні, але завжди захоче побачити споживання як мінімум електрики. Зниження споживання навіть на 5% – це серйозна економія.

Розумний лічильник — це пристрій для моніторингу споживання електроенергії, який встановлюється на DIN-рейку з 1 проводом (якщо одна фаза) або 3 проводами (якщо 3 фази) з трансформаторами струму (у вигляді клямки або кільця), які вимірюють потік електрики. За Wi-Fi модулем користувач підключає пристрій (як Wi-Fi клієнт) до своєї мережі, і лічильник передає дані на наш хмарний сервер, а за web-інтерфейсом користувач може підключатися до пристрою для налаштування. Крім спожитих ват, електролічильники вимірюють поточні значення струму, напруги, потужності та косинуса фі (power factor) електромережі.

Пристрій найчастіше фізично кріпиться у коробці з автоматами на DIN-рейці. Його можна легко знімати та переносити за потреби. Чому ми вважали важливими мобільність та легкість у монтажі наших пристроїв? Наприклад, для представників малого та середнього бізнесу це може бути способом вибірково вимірювати споживання певної печі в пекарні, піцерії чи кавомашини в кав'ярні. Замикається трансформатор на дроті, що підходить до пристрою, і споживання електрики саме цим пристроєм вимірюється з точністю до хвилини.

Зайшовши на свій дашборд і підключивши свій енергомонітор за серійним номером та пін-кодом, користувач побачить усі характеристики своєї електромережі та споживання як у деталізованому архіві, так і онлайн через веб-додаток у хмарі, як на ПК, так і на телефоні. Дані з пристроїв передаються на сервер кожну хвилину, а під час перегляду онлайн в режимі реального часу дані надсилаються пристроєм кожні 5 секунд.

Усі бажаючі можуть подивитися живе демо та попрацювати з дашбордом реального домогосподарства онлайн .

Дашборд можна налаштувати візуально так, як зручно для клієнта. Усі віджети вільно переміщаються, змінюються у розмірі, мають фіксоване положення та гнучкі налаштування для кастомізації. Наприклад, можна налаштувати свою арифметику розрахунку, якщо людина хоче, щоб споживання відображалося не у ватах, а у гривнях до копійки.

Ще є двосторонній моніторинг — як для споживання електроенергії, так і для її вироблення, наприклад, якщо є сонячна електростанція. Навіть для дорогих інверторів СЕС функціонал моніторингу виробництва електрики досить бідний. Наш пристрій докладно покаже за хвилинами, годинами, днями — скільки і коли прийшло електрики в систему, скільки спожито, а скільки продано за «зеленим тарифом». Замір енергії, що проходить, проводиться в двох напрямках окремо, що і дозволяє моніторити вироблення і власне споживання.

Які технології були застосовані у вирішенні

Ми не переробляли косметично чиїсь рішення, начепивши на нього ОЕМ-лейбу. Все зібране нами. Готові частини в пристроях – це лише 2 мікрочіпи. Все інше розробили та зібрали самі. Олексій розробляв апаратну частину та програмував для неї, а я займався програмуванням клієнтської та серверної частини.

Як уже згадувалося, самі пристрої реалізовані у форматі установки на DIN рейку у 3-х модульному корпусі DR50, які виготовляються у Дніпрі. Виробництво найрозумніших лічильників поки що дрібносерійне. Монтаж та калібрування пристроїв виконуються в Києві. Кожен пристрій калібрується під конкретний трансформатор струму, що дозволяє досягти високої точності вимірювання з похибкою до 1%.

Для зберігання та обробки даних вибрали варіант хмарного сервера та веб-застосунки для клієнта, щоб універсально вирішити питання сумісності для всіх платформ і всіх можливих браузерів. На самих енергомоніторах код написаний на С, сервер – на Node.js, а клієнтська частина – на HTML, СSS та JavaScript.

Все, що необхідно забезпечити користувачеві для нормальної роботи енергомонітора, це Wi-Fi у місці встановлення пристрою. Протокол, яким розумні лічильники обмінюються даними із сервером (упаковка, шифрування, розпакування сервером даних) — повністю наша розробка. З самого початку ми проектували все так, щоб дані займали мінімум місця, оскільки деталізованих даних буде багато, і зберігати їх у текстовому вигляді, наприклад, у форматі JSON, ніякого сервера не вистачить. У нашому рішенні користувача немає обмежень щодо часу зберігання своїх накопичених даних. Крім зберігання у хмарі користувач зможе у будь-який час вивантажити дані в Excel.

Користувач має кілька шляхів для аналізу зібраних даних. По-перше, це наш дашборд, доступ до якого надається безкоштовно для одного пристрою. Сам дашборд розроблено у вигляді веб-додатку. Комунікація між сервером та клієнтом здійснюється за WebSocket-протоколом, що забезпечує двосторонній обмін інформацією в режимі реального часу. Нагадаю, пристрої в режимі реального часу відправляють поточні дані кожні 5 секунд і користувач має можливість організувати диспетчерський пульт для моніторингу своїх об'єктів online. По-друге, усі пристрої можуть виступати як MQTT клієнт та надсилати дані на сторонній MQTT сервер. По-третє, пристрій легко інтегрувати з розумним будинком та сторонніми системами обліку даних через відкритий API інтерфейс, який базується на запитах REST.

Правильність вибору нашої архітектурної платформи та моделі розвитку підтвердилася. За 2 роки розробки ми покроково нарощували функціонал, а саму платформу та архітектуру рішення не переробляли. При тестуванні були задіяні різні масштаби споживання: від квартири до офісу і ресторану.

Результати

Із самого початку ми продумували наше рішення для масового вжитку. З одного боку, хотіли зробити продукт максимально простим, щоб «ввімкнув кнопку і працює». З іншого боку, якщо зробити функціонал обмеженим, який нам подобається, то не факт, що він сподобається всім. Тому рішення вийшло і простим і водночас дуже гнучким, з великою кількістю налаштувань для кастомізації.

Ми спочатку пішли від концепції «начепити лічильник на кожну праску, щоб вимірювати кожен чих». По-перше, це серйозно подорожчає рішення, а по-друге, коли є деталізація до хвилини і докладна тимчасова карта споживання — користувач сам все чудово побачить. Наприклад, ми поставили енергомонітор на один із корпусів Києво-Могилянської академії і потім подивилися з відповідальною людиною з вишу на графік споживання. Користувач сам усе чудово побачив: «Ага, ось це кондиціонер увімкнули, а це — ввімкнули мікрохвильову піч на кухні, а це — кавоварка вранці». І він уже зміг зрозуміти, що й куди витікає, отримати дані для ухвалення рішень щодо оптимізації споживання. Адже досить часто можуть красти електроенергію, а господар про це навіть не підозрює.

Завдяки нашому рішенню ми досягли що у нас, як у користувачів комуслуг, з'являється цілісна картина споживання з деталізацією до хвилини, карта споживання, скільки і коли споживається, і, найголовніше, інструмент для прийняття рішень про те, де і як можна і потрібно економити .

Але якщо користувачеві все-таки хочеться керувати своєю електромережею, пристрій має комутаційне реле для включення або вимкнення зовнішнього навантаження. Керується з Dashboard, Web-сторінки пристрою через MQTT і API інтерфейси.

Що далі

У розробці зараз пристрій для зчитування показників імпульсних лічильників, який вважатиме витрати води (гарячої/холодної), газу, тепла. У принципі, універсальність наших пристроїв у тому, що їх можна підключити до будь-якого лічильника з імпульсним виходом і вважати все, що завгодно.

Наприклад в імпульсному лічильнику води 1 імпульс – це 100 грам води, 10 імпульсів – 1 літр. У системі прописується значення 1 імпульсу, і дані обробляються додатком. Лічильник відповідного ресурсу має бути з імпульсним виходом. Наприклад зараз повсюдно змінюють лічильники на воду в різних містах, і звичайний лічильник коштує 300 грн, а з імпульсним виходом — 350 грн, тому особливо дорогого обладнання, що підключається, нашому рішенню не буде потрібно. Завдяки імпульсним лічильникам можна збирати дані із чого завгодно на один сервер даних.

На даному етапі розвитку ми хочемо отримати зворотний зв'язок від користувачів наших пристроїв, тому що хочемо розвивати свій продукт у той бік, який більш затребуваний користувачами. Для цих цілей спеціально створено форум та базу знань на сайті.

Список можливого розробки функціоналу широкий. Наприклад, можна зробити спрацювання тригерів і повідомлень (по смс або по email), якщо споживання різко зросте/впаде на N-Ватт або параметри ресурсу, що вимірюється, вийдуть за нормальні межі, наприклад, 185 вольт замість належних 220. Також можливі будь-які складні алгоритми збору даних та побудови графіків за бажанням клієнта. Клієнт навіть зможе зробити свої скрипти у нашому коді, завдяки яким він зможе прописати складні розрахунки споживання для різних тарифних планів. У розробці різні сценарії обробки даних, для різних моделей споживання.

Надалі хочемо розвивати свій продукт апаратно, програмно і сервісно. Підписка для простих користувачів безкоштовна. У майбутньому буде додано платні варіанти для бізнес-користувачів за мінімальною ціною за передплату — 10-30 євро на рік.