รู้จัก IPEM Plus: บอร์ด IoT มอนิเตอร์พลังงานไฟฟ้าสุดล้ำด้วย ESP32-C5 และ LoRa

IPEM Plus ESP32-C5 ATM90E36 LoRa IoT Power Energy Monitor

Power Energy Monitor คืออะไร?
พูดง่ายๆ มันคืออุปกรณ์ที่ใช้วัดและสุ่มตัวอย่างค่าแรงดันไฟฟ้า (AC Voltage) และกระแสไฟฟ้า (AC Current) จากเฟสไฟฟ้า เพื่อนำมาประมวลผลเป็นข้อมูลพลังงานที่แม่นยำ (อ่านเพิ่มเติม: What is a Power Energy Monitor?) ข้อมูลเหล่านี้สามารถนำไปต่อยอดใช้ในระบบ Smart Metering หรือการมอนิเตอร์พลังงานได้ครับ

ข้อมูลที่วัดได้จะถูกนำมาคำนวณเป็นค่าต่างๆ แบบเรียลไทม์ เช่น ค่าพลังงานรวม (RMS Power), Active/Re-Active Power, Harmonic Power, Power Factor, ความถี่ ฯลฯ ซึ่งข้อมูลเชิงลึกแบบนี้มีประโยชน์มาก โดยเฉพาะกับการติดตั้ง อินเวอร์เตอร์โซลาร์เซลล์ (Solar Inverter) เพราะมันจะช่วยให้เราจัดการพลังงานที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ว่าจะเป็นการเก็บลงแบตเตอรี่, ชาร์จรถ EV, หรือควบคุมการจ่ายไฟเข้า-ออกกริด

ข้อมูลเหล่านี้ละเอียดกว่ามิเตอร์ไฟฟ้าธรรมดาทั่วไปมากครับ ทำให้เราสามารถสร้างระบบ IoT อัจฉริยะที่ใช้พลังงานได้คุ้มค่าที่สุด ฟังดูอาจจะซับซ้อน แต่จริงๆ แล้วมันขึ้นอยู่กับโปรเจกต์ของคุณเลยว่าอยากจะตั้งค่าให้มันทำอะไรบ้าง!

ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ (Hardware Components)

ก่อนจะไปดูความสามารถ มาเช็คสเปกฮาร์ดแวร์หลักๆ กันก่อนครับ (แอบกระซิบว่าถ้าเพื่อนๆ กำลังมองหาบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เจ๋งๆ หรืออุปกรณ์ IoT สำหรับสร้างโปรเจกต์ Smart Home สามารถเข้าไปเลือกช้อปสินค้าคุณภาพได้ที่ Globalbyte เลยครับ มีของให้เล่นเพียบ!)

  • ไมโครคอนโทรลเลอร์: Espressif ESP32-C5 x1
  • ชิปวัดพลังงาน: Microchip ATM90E36 x1
  • วิทยุสื่อสาร LoRa: Semtech E22-900M22S (SX1262) x1
  • ชิปนาฬิกา RTC สุดแม่นยำ: DS3231SN x1

IPEM Plus คืออะไร?

IPEM Plus Overview

IPEM Plus คือบอร์ดและชุดคิทมอนิเตอร์พลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (Mains Power Energy Monitor) ที่ทรงพลังสุดๆ สำหรับงาน Smart Home และ Industry Automation ออกแบบมาให้เชื่อมต่อเข้ากับระบบไฟต่างๆ ได้อย่างยืดหยุ่น

มันมาพร้อมกับโมดูลวิทยุ ESP32-C5 (รองรับ Wi-Fi 2.4GHz และ 5GHz, Thread และ Zigbee) ทำให้คุณเชื่อมต่อ IPEM Plus เข้ากับแอปพลิเคชัน Smart Monitoring ได้สารพัดแบบ แถมยังมี วิทยุ LoRa ในตัว เปิดประตูสู่การมอนิเตอร์ระยะไกลแบบ Long Range ได้เลย

ยกตัวอย่างเช่น ไซต์งานอุตสาหกรรมหรือการเกษตรที่อยู่ไกลๆ ก็สามารถใช้พอร์ต RS485 ที่บิวต์อินมาให้เพื่อส่งข้อมูลกลับมาผ่านสายเกลียวคู่ (Twisted pair) ได้ด้วย

ตัวบอร์ดถูกออกแบบมาให้ เชื่อถือได้ ทำงานแบบ Stand-alone บูตเครื่องพร้อมทำงานทันที แถมยังประหยัดพลังงานสุดๆ การเปลี่ยนมาใช้ ESP32-C5 ถือเป็นการอัปเกรดที่คุ้มค่ามาก เพราะได้ฟีเจอร์เทียบเท่า ESP32-C6 แต่ได้ Wi-Fi แบบ Dual Band ไปด้วย!

การมอนิเตอร์กระแสไฟและความปลอดภัย (Current Monitoring & Interfaces)

Current Monitoring

บอร์ดนี้รองรับเซนเซอร์กระแสไฟฟ้าทั้งแบบ CT Clamps และ Rogowski Current Transformers ทำให้ใช้ได้ตั้งแต่งานในบ้านกระแสต่ำๆ ไปจนถึงงานอุตสาหกรรมที่ต้องวัดกระแสไฟหลักร้อยแอมป์ (อ่านเพิ่มเติมเรื่อง AC Current)

หัวใจหลักในการวัดคือชิป Atmel ATM90E36 ที่มีความแม่นยำสูง วัดพลังงานแบบ Poly-Phase ได้อย่างยอดเยี่ยม และส่งข้อมูลเข้า ESP32-C5 ผ่าน SPI อย่างรวดเร็ว มันสามารถวัดไฟ AC ได้หลากหลายระบบ ตั้งแต่ Single phase, Split หรือ Dual phase (เช่นในอเมริกา) ไปจนถึง Three phase ทั้งแบบ Star และ Delta (รองรับทั้ง 50 Hz และ 60 Hz)

เรื่องความปลอดภัย (Safety First) เป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดครับ บอร์ดนี้แยกวงจรไฟฟ้าแรงสูงกับแรงต่ำอย่างเด็ดขาด (Galvanically isolated) โดยใช้หม้อแปลงไฟต่ำ (เช่น Bell transformers) ทำให้การตรวจจับแรงดันไฟ AC ปลอดภัยสุดๆ (อ่านเพิ่มเติมเรื่อง AC Mains Voltage Sense) และบอร์ดจะทำงานได้อย่างปลอดภัยเต็มที่ด้วยแรงดันไฟต่ำกว่า 20V ครับ

รองรับระบบไฟฟ้าทั่วโลก (Global AC Monitoring)

ไม่ว่าคุณจะอยู่ที่ไหนบนโลก IPEM Plus ก็เอาอยู่ครับ ลองมาดูสเปกแรงดันไฟของแต่ละโซนที่บอร์ดนี้รองรับกัน:

  • ยุโรปและสหราชอาณาจักร (Europe and UK): ทั่วไปคือ 230 V @ 50 Hz (ช่วง 216 V ถึง 253 V)
  • สหรัฐอเมริกาและแคนาดา (USA and Canada): ทั่วไปคือ 120 V หรือ 230 V @ 60 Hz (ช่วง 114 V ถึง 126 V)
  • ญี่ปุ่น (Japan): ทั่วไปคือ 100 V @ 50 Hz หรือ 60 Hz (ฝั่งตะวันออก 50 Hz, ฝั่งตะวันตก 60 Hz)
  • ทั่วโลก (World): โดยทั่วไปคือ 220V-240 V @ 50 Hz

พลังแห่งการเชื่อมต่อ: Wi-Fi, Bluetooth, Thread, Zigbee และ LoRa

ในบางงานที่บอร์ดต้องเข้าไปอยู่ในตู้เหล็ก หรือต้องติดเสาอากาศเพิ่ม บอร์ดนี้ก็มีขั้วต่อ U.FL มาให้พร้อมครับ และด้วยพลังของ ESP32-C5 คุณจะได้สเปกการเชื่อมต่อที่โหดมาก:

  • Wi-Fi 6: รองรับ 2.4 GHz (2400 ~ 2483.5 MHz) และ 5 GHz (802.11ax/b/g/n)
  • Bluetooth: Bluetooth LE, Bluetooth 5.3, Bluetooth Mesh
  • Thread 1.4: 2.4 GHz (802.15.4), Thread Mesh
  • Zigbee 3.0: 2.4 GHz (802.15.4), Zigbee Mesh

ตอนนี้ Zigbee และ Mesh กำลังมาแรงมากในงาน Smart Home และโรงงาน การผสมผสานทั้ง LoRa และ Zigbee เข้าด้วยกัน จะทำให้เราสร้างระบบ Mesh ทางไกลที่เจ๋งสุดๆ ได้เลยครับ

ทำไมต้องมี LoRa / LoRaWAN?

บางทีไซต์งานของเราอาจจะอยู่กลางป่า กลางเขา ที่ไม่มี Wi-Fi หรือ Ethernet การใช้ LoRa คือคำตอบที่ตรงจุดที่สุดครับ! (อ่านภาพรวมของ Lora Topology)

IPEM Plus มาพร้อมชิปวิทยุ LoRa SX1262 (โมดูล E22-900M22S) ทำให้ส่งข้อมูลระยะไกลผ่านเครือข่าย The Things Network (TTN), ChirpStack, Meshtastic หรือ Helium ได้สบายๆ และรองรับช่วงความถี่กว้างตั้งแต่ 850 MHz ถึง 930 MHz ใช้งานได้ทั่วโลกครับ รวมถึงยังรองรับ LoRa Long Satellite IoT ยิงข้อมูลตรงขึ้นดาวเทียมได้ด้วยถ้าใช้เสาอากาศที่เหมาะสม!

ตัวอย่างย่านความถี่ (Frequencies) ที่รองรับ (ดูความถี่ TTN แต่ละประเทศ):

  • AS923 (AS1) band (920-923 MHz) ในญี่ปุ่น, มาเลเซีย, สิงคโปร์
  • AS923 (AS2) band (915–928 MHz) ในเอเชีย
  • AU915 band (915–928 MHz) ในอเมริกาใต้
  • CN779 band (779-787 MHz) ในจีน
  • EU868 band (863–870 MHz) ในยุโรป
  • IN865 band (865-867 MHz) ในอินเดีย
  • KR920 band (920-923 MHz) ในเกาหลี
  • RU864 band (864-870 MHz) ในรัสเซีย
  • US915 band (902–928 MHz) ในอเมริกาเหนือ

อินเทอร์เฟซอื่นๆ: RS-485 และ Real Time Clock (RTC)

นอกจากไร้สายแล้ว บอร์ดนี้ยังมี RS-485 มาตรฐานอุตสาหกรรม สำหรับคุยกับ Smart Meters หรือแบตเตอรี่ผ่าน MODBUS ได้ด้วย ใช้ควบคุมกล้อง CCTV ทางไกล หรือส่งข้อมูลผ่านสายเกลียวคู่ได้ไกลถึง 1,200 เมตรเลยครับ!

และแน่นอน งานเก็บ Data (Logging) ต้องเป๊ะเรื่องเวลา บอร์ดนี้เลยใส่ชิป RTC DS3231SN ตัวท็อป (แบบเดียวกับที่ใช้ใน IPEM PiHat) มาให้ด้วย พร้อมช่องใส่ถ่านกระดุม CR2302 3V กันไฟดับครับ

IPEM Plus เอาไปใช้ทำอะไรได้บ้าง? (Use Cases)

DIN Enclosure

ตัวบอร์ดออกแบบมาให้ใส่ในกล่อง DIN enclosure เอาไปติดในตู้แร็คหรือตู้คอนโทรลได้เลย ทำให้มันถูกนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลายมากๆ ครับ:

  • บ้านเรือน, ออฟฟิศ, การศึกษา
  • โรงงานอุตสาหกรรม, เชิงพาณิชย์
  • ฟาร์ม, โรงเรือนการเกษตร
  • สถานีชาร์จ EV (EV Charging)
  • ระบบ Smart Metering
  • โซลาร์ฟาร์ม, ฟาร์มกังหันลม
  • ระบบ Off-Grid หรือไซต์งานบนเขา/ที่ห่างไกล

ข้อมูลที่วัดได้ (Data Output) และการเขียนโปรแกรม

คุณสามารถดึงข้อมูลพวกนี้ไปเผยแพร่ผ่าน MQTT เพื่อเชื่อมต่อกับ Home Assistant, Domoticz หรือ Zabbix ได้ตามใจชอบเลยครับ ซอร์สโค้ดเปิดกว้างให้พัฒนาต่อได้เต็มที่

ข้อมูลที่อ่านได้จากชิป ATM90E36:

  • Mains RMS Voltage (แต่ละเฟส)
  • Mains Frequency (แต่ละเฟส)
  • Import and Export Values
  • Mains RMS Current
  • Calculated RMS Power
  • Active Power / Total Active Power
  • Re-Active Power / Total Reactive Power
  • Apparent Power / Total Apparent Power
  • Fundamental Power
  • Harmonic Power
  • Power Factor
  • Phase Angle

สำหรับการเขียนโปรแกรม รองรับทั้ง PlatformIO IDE (VSCode) และ Arduino IDE รวมถึงแพลตฟอร์มอย่าง ESPHome ด้วย มีไลบรารีรองรับชิปต่างๆ (ESP32-C5, M90E36, SX1262, DS3231, WS2812 ฯลฯ) เตรียมไว้ให้พร้อมใช้งานครับ

ข้อมูลเพิ่มเติมและการสนับสนุน (Further Information)

STEM Learning

หากเพื่อนๆ สนใจข้อมูลเชิงลึก โค้ดตัวอย่าง หรืออยากพูดคุยกับผู้พัฒนา (Dave Williams) สามารถตามไปดูได้ที่ลิงก์ด้านล่างนี้เลยครับ:

พร้อมลุยโปรเจกต์ IoT และ Smart Home แล้วหรือยัง?

ช้อปอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ บอร์ด และเซนเซอร์คุณภาพ เข้าร่วม Community พูดคุยแชร์โปรเจกต์ สั่งซื้อสินค้าผ่าน LINE OA ทันที

อ้างอิงข้อมูลจาก: Globalbyteshop Blog

ต้นฉบับบทความโดย: Dave Williams (DitroniX) | Original Link

*คำเตือน: เนื้อหานี้เป็นการสรุปและเรียบเรียงจากบทความต้นฉบับภาษาอังกฤษ ข้อมูลฉบับภาษาไทยอาจมีความคลาดเคลื่อนบางประการจากการตีความหรือย่อเนื้อหา สามารถตรวจสอบเนื้อหาเชิงเทคนิคโดยละเอียดได้ที่ ต้นฉบับภาษาอังกฤษ

แท็ก

#ESP esp-csi ESP32 Esp32 Diy ESP32 MQTT ESP32-C3 esp32-c5 ESP32-CAM ESP32-E22 ESP32-P4 ESP32-S2 ESP32-S3 ESP32-S3-BOX-3 ESP32AI Text-to-Speech ESP8266 ESP8266 ESP-01 Espressif ESP8266 ESP-01

Blog posts

เข้าสู่ระบบ

ลืมรหัสผ่านใช่ไหม?

ยังไม่มีบัญชีใช่ไหม?
สร้างบัญชี