更多能源解决方案
我设计并制造了一个便宜的能耗监测器用的是覆盆子π．它使任何人都能监视尽可能多的仪表、面板和断路器，因为他们想要。下面是我如何建造它的故事，以及我在这个过程中了解到的关于我家能源使用的一些事情
一个效率低下的房子的骄傲的主人
2017年，我和妻子塞西莉亚以及刚出生的儿子布鲁斯住在密苏里州堪萨斯城的一个相对较小的房子里。布鲁斯的到来促使我们开始寻找一个更大的家。我们想找一个有四间卧室的房子，这样我们的家庭就可以在不搬家的情况下继续发展，或者至少在每个人都上大学之前不用搬家。对于拥有一所大房子的前景，我们感到很内疚，所以我们有兴趣找到一所最终能实现碳中和的房子。这意味着它必须是全电动的，并有一个朝南的大屋顶，我们可以在上面安装太阳能电池板。
经过几个月的搜寻，我们找到了一个3500平方英尺的地方。建于20世纪80年代末的殖民地风格的房子。它的屋顶很简单，朝南朝西南，符合太阳能标准。作为一个全电动住宅，它有两个热泵，每层一个，电阻热作为备用。我询问了这栋房子在冬天的耗电量和随后的水电费账单，得知最糟糕的月份是2月份，超过了600美元。这个数字让我们有点害怕，我们想也许买块地从头建造一个高效的房子比改造现有的房子更好。但是，如果我们这么做了，这座老房子还会在那里，被别人拥有，每年烧掉数不清的煤。以防我说得太无私，它还有一个令人惊叹的后院，太好了，不容错过。
于是，我们成为了一栋已经有30年历史的低效房子的新主人。从哪里开始呢?我们首先解决了容易实现的目标。所有的白炽灯都换成了led灯。门框已经开始下陷的外门重新挂了起来，并被风化了。壁炉被填塞并用塑料包裹，这样冬天的冷空气就能吹进来。那台冰箱是直接从1987年西尔斯(Sears)产品目录上拆下来的，嘎吱作响，叮当作响，所以就换了。这些都是非常便宜的道具，我们无需衡量更换它们是否物有所值。
更昂贵的投资包括原有的木框窗户和双层玻璃。许多船的内部都有雾，这表明它们的惰性气体早就逸出了，在一个寒冷的日子里，我们可以感觉到微风从侧门框吹进来。毫无疑问，窗户是造成冬季600美元电费账单的主要原因之一。
热泵看起来状态良好，但当温度降至冰点以下时，灯的闪烁很容易看出电阻热已经开始工作。我想知道它需要多少电力才能让灯光闪烁。如果这些电阻加热器在气温低于冰点的时候就会启动，我们在卧室里放一个电暖器，让房子的其他部分在晚上降温，这样会省钱吗?为什么要热3500平方。当我们睡在200英尺的时候?如果我们换了窗户，我们怎么能比较换窗户前后两天的能耗和类似的天气呢?有没有可能把气候控制和我们电费账单上的使用信息分开?可能不会。我不愿意在新窗口和新的气候控制系统上投入大量资金，却不能准确地衡量每个变化对使用的影响。
寻找完整的数据集
我开始寻找一个家用电源监视器，它可以帮助我跟踪我们的使用情况，这样我就可以开始优化这些昂贵的能源消耗者。我发现有两款产品很突出。其中一个是为商业规模设计的;它只跟踪电源，并尝试使用机器学习来识别设备的使用情况。作为一名软件工程师，我曾与机器学习打交道。我立刻怀疑，除了最常见的电器，它还能识别任何东西。350美元的价格，我不愿意赌它能给我想要的细节水平。另一个监视器是一个开源设备，可以追踪多达14个断路器。当你添加14个电流互感器时，它的成本接近300美元。我们家有54个断路器——要追踪所有的东西要花1000多美元。 Even if I were willing to make that investment, the user interface was unsophisticated, and it didn’t provide simple ways of viewing different subsets of data. It did integrate with several other open-source projects, but their user interfaces also seemed lacking.
作为一个热衷diy的人，我心想:做一个家用显示器能有多难?我知道其他显示器使用的电流互感器和交流互感器。P = 4,对吧?所以，我只需要尽可能快地连续采样电压和电流，然后在软件中全部相加。2020年1月，我开始焊接我的第一个面包板原型。
把它组装好后，我发现自己拿着的是一堆铜和耳机插孔组成的蜘蛛网，它们看起来并不那么好用。但在编写了一个简单的命令行应用程序从它获得读数后，你瞧，它工作了!对于一个看起来像80年代b级片道具的东西，我可以将它与Kill-A-Watt显示器进行比较，校准到令人难以置信的精度。在这次成功的鼓舞下，我编写了一个完整的软件平台，可以从多个树莓pi(我开始称之为“中心”)读取数据;然后汇总成完整的能源使用汇总。为了测试软件，我焊接了另外两个面包板原型，并能够跟踪45个断路器。
识别问题——大大小小的问题
有了这个新工具和它的大量数据，我已经准备好回答我一直在问的关于如何优化我的家的问题。第一个问题:晚上用热泵给整个楼上供暖要花多少钱，而不是只在温度超过冰点的时候用加热器给卧室供暖?我比较了平均气温相同和较低的两天。使用热泵加热整个楼上的四个房间，当温度超过冰点时，需要15千瓦时。在室外温度相同的情况下，只用两个取暖器给我们的主卧室供暖就花了17千瓦时。经验教训:当温度超过冰点的时候，把整个楼上都加热，享受舒适。
第二个问题，当它下面冻结吗?答:当中央炉电备热接合时，它的功率超过16000瓦!难怪它一打开灯就忽闪忽闪的。晚上10点，中央炉已经用了50千瓦时的电。测试失败;不需要更多的数据。第二天，我们的卧室里有了空间加热器，我们可以用35千瓦时的电量为卧室供暖一整天。楼下的热泵做了一些额外的工作来弥补楼上大部分没有加热的情况，但是不使用楼上的电阻热所带来的节省远远超过了我们睡觉时楼下多运行一点时间所带来的额外成本。很明显，我们需要不惜一切代价避免使用中央备份电阻热。这些热泵的寿命快到头了，我们很快就会购买一个地热热泵系统。
我可以用我的全院监视器回答许多简单的问题。例如，房子里有一个玻璃门迷你冰箱。我对玻璃门并不感冒，想知道它和我们新买的全尺寸冰箱门比起来怎么样。全尺寸冰箱有自己的断路器，迷你冰箱和厨房里的几个插座共用一个断路器，这些插座大部分时间都不用。在只有迷你冰箱和全尺寸冰箱在使用的日子里，迷你冰箱的体积只有迷你冰箱的四分之一，而且没有冰柜，但它的用电量却持续增加20%左右。关掉它，把所有东西都放在大冰箱里，每月可以节省36千瓦时，大约4美元。
餐厅的吊扇呢?这是一个很高的房间，我们用吊扇把一些热空气吹下来。这有点主观，但它确实让房间感觉更温暖，所以我们喜欢运行(80W在高，40W在中，20W在低)。无论如何，中等和高会产生太多的微风，所以我们可以把它保持在每天半千瓦时的低功率，让它在那里感觉更好一点。
在监测过程中，我们发现我们的化粪池曝气控制模块坏了，导致它持续运行在300瓦，每月多200千瓦时。我付钱让一家公司每年来检查两次化粪池系统。这种“检查”相当于打开盖子，确保它没有被堵上。他们没有注意到机械开关已经破裂坏了。他们要花400美元更换另一个机械开关，那无疑也会坏掉。我选择自己修理，用一个5美元的固态继电器连接在我的电源监视器上。它会在每小时开始的时候打开15分钟，就像发条一样。这相当于150千瓦时，仅在化粪池系统上每月就能节省18美元。
优化使用
2019年4月，我们安装并启动了一个8千瓦的太阳能阵列。拥有太阳能电池板会产生各种优化能源使用的新方法。通过跟踪生产和消费，我们可以计算每秒“从网格”和“到网格”的读数，并跟踪任何时间段的峰值。这就产生了一个电池备用系统完全脱离电网所需的两个值:以千瓦时为单位的容量和以千瓦为单位的额定功率。
幸运的是，我们的电力供应商提供电价计量服务，所以在我们把用电降低到能满足太阳能需求的水平之前，我们最好还是在白天把电力重新输入电网。随着越来越多的人开始使用家用太阳能，将没有足够的消费者接受白天的过剩生产。如果到那时还没有解决大规模存储的问题，那么个人计算自己的存储需求将是很重要的。
本着分享的精神
我对我所获得的数据质量和它允许我做出的决定感到非常高兴，我决定让其他人也能够建立他们自己的数据。这意味着两件事:发布源代码和为硬件创建印刷电路板(PCB)设计。我很难指望有人能像我的原型一样把老鼠窝焊接起来。我把代码和PCB设计github，可供任何人下载和使用。我还在Android应用程序中添加了一个功能，允许任何人生成一份材料清单，这将给他们一个完整的清单，他们需要购买的每个组件，以便能够组装一个。
几十个人已经使用了开源材料来创建和运行他们自己的电源监视器，但对大多数人来说，从PCB制造商订购一个板和组装一个集线器是太多的工作。我经常收到销售pcb成品和电源监视器成品的请求。我从来没有想过要用它来做生意，但我决定试水，看看这样的产品是否有需求。我通过Kickstarter提供套件和完成的电源监视器。我希望人们能像我一样觉得它有用。
在用了一年半的电力监控器之后，我们最贵的电费是320美元，比上一任主人的600美元要低。我们最好的账单是56美元。随着我们完成项目的推进——更换窗户，升级热泵，改善阁楼的隔热性能——我们将能够准确分析每项改进的作用。有了这些知识，我们就可以制定一个目标，降低我们的消费，增加我们的生产，以实现我们生活在一个碳中和的家庭的目标。
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Mark Milligan是一名软件工程师，DIY爱好者，灯笼软件公司的创始人。
坦白说，我正忙着Kickstarter运动开始销售这些电力监测设备。最贵的部件是电流互感器，它是夹在电线上，测量通过每个断路器的电流的部件。当订购超过1500个电流互感器时，价格急剧下降。Kickstarter活动是我批量订购它们的一种方式，这样所有人都可以从降价中受益。我唯一的目标是让尽可能多的人掌握这项技术，这样人们就可以开始控制他们的能源消耗。
38岁的评论
不错的工作!
我经常在问答环节看到很多这样的要求。有一种需求，即使是小众产品。谢谢你为此付出的努力!
真酷，马克!我以前从来没有做过Kickstarter，我如何设法得到两个(如果允许的话)?我要做两个单独的保证吗?
托尼
我设置它的方式有点混乱。当你选择奖励并点击“承诺”后，它将带你进入另一个页面，在那里你可以添加额外的奖励。“Add-Ons”和奖励是一样的，所以你可以根据需要选择很多额外的。感谢您的支持!
我非常喜欢阅读这篇文章和听到你们的产品。我相信我会很享受自己动手的体验，并且在今年有很多项目要用它。我也看了你的Kickstarter，我保证会帮助实现这个目标，因为这是一个非常棒的想法。
不幸的是，它只让我选择美国作为运输目的地，而我在加拿大。虽然它在承诺描述里写着"任意运输"
目前只有PCB套件在全球发货，但没有完整的电源监视器与电流互感器。让我看看寄到加拿大要多少钱，然后再答复你。
编辑:我刚刚添加了加拿大作为一个目的地完成的电源监视器与ct。运费40美元。
“P = 4,对吧?是的，对于直流电，有时对于交流电。对于交流负载，峰值电流流量和峰值电压通常发生在周期中的不同时间。
我敢肯定，如果没有其他人指出你的产品可能会有高达50%或更多的损失，你就不会走到这一步。
https://www.pema.ie/TECHTALK%20LIBRARY/APT/True%20vs.%20Apparent%20Power.pdf
是的，你的电阻负载的读数，比如加热器的功率因数是1，读数非常准确，但像LED灯和电机，你的数字可能很远，没有任何意义。
你能在这个项目中加入功率因数校正吗?
它计算的是实际功率，而不是视在功率，并通过快速连续测量电压和电流来计算功率因数。我们的热泵等设备在闲置时的表观功率为50W，但当你计算实际功率时(我的显示器可以计算)，你会发现闲置功率更接近12W。
我要指出P总是=IV，即使是通过非电阻负载的交流流。电流和电压波形可能不一致的事实正是为什么你需要测量两者才能计算出真正的功率。
下面是一篇更深入的文章，解释了它是如何做到的:
https://learn.openenergymonitor.org/electricity-monitoring/ac-power-theory/introduction
谢谢你所做的工作和提供的信息。我承诺为一个完整的单位和一个额外的PCB。如果一切顺利，我每年至少会为我的项目买一对。祝你好运
我很确定如果不做功率因数校正你不可能完成这个项目。
你可能想要非常清楚地表明，你是在纠正力量因素，考虑使用几次“真正的力量”这个词。
看起来你监控着50个断路器，所以你需要4个单元，对吗?
如果这4个单元位于不同的面板上并且相隔一定的距离，这将会是一个问题吗?
240伏的负载只需要一个电流互感器你就可以告诉软件什么负载是120伏和240伏，对吗?
Walta
对于我家里的大多数双极(240V)断路器，我只监控其中一极，并在软件中将其加倍。在电源监视器的配置中，可以选择只监视双极断路器的一个或两个极。正如下面Trevor提到的，为范围供电的双极断路器也会有一个零线，所以120V的部分可以被供电(时钟，风扇等)，所以它可能值得分别测量两个极点，但时钟的使用量是如此之小，它可能不值得使用你的一个端口。像热水器这样的东西没有零线，不需要单独监测第二极。
因为我有很多双杆断路器，我可以用三个集线器来监控它们。两个集线器在车库里，那里有三个面板。其中一个集线器在地下室的子面板上。所有的集线器都连接到wifi，并将所有的数据发送到一个中央服务器，在那里原始数据被组装成一个能源汇总。“中央服务器”可以是由Lantern提供的，也可以在pi或自己的计算机上托管自己的服务器。这里的图表可能有助于解释更多:
https://lanternpowermonitor.com/architecture
下面是一个链接，演示了应用程序中的配置:
https://lanternpowermonitor.com/configuration#panel
不错的工作。
澄清一下:“每个双极断路器一个CT钳”仅仅是因为它假设纯240v负载吗?也就是说，我们是否忽略了现代电器NEMA 14插头可能使用的120v(不平衡)负载?
这是标准假设。注意，很多240V电器都有平衡负载。这包括大多数热水器和迷你分离式热泵，以及任何最初为北美以外市场设计的电器(例如全球品牌的炊具和炉灶)。对于例外情况，您可以使用两个夹子，但这可能不值得。造成负载不平衡的唯一原因是控制电子设备，这在整个设备的总负载中只占很小的比例。
你可以看看最新的空气源热泵。三菱有一个传统的管道装置，工作在零下13华氏度。
非常酷的项目。如果我没有投资竞争产品，我就会投入其中。只是出于好奇，你开始的时候听说过Brultech吗?他们的系统要贵得多，但可能会节省你很多时间。
所以，刚刚做出了我的“承诺”，并意识到我唯一的“真正的”问题是，信息是如何报道的?蓝牙应用，连接显示器?只是askin。”或者，我可以深入阅读，看到魔法将所有东西连接到你手机上的一个应用程序。
树莓派有内置的蓝牙无线网络(这是我的理解)。他的图表显示了从那里发生的事情:
https://lanternpowermonitor.com/architecture
嘿，谢谢你这么做。很高兴支持这个项目。不久将宣誓。
有可能达到每板20CTs吗?这个漂亮的整数意味着我们只需要两只鸟就可以装40个空间板，3只鸟就可以装60个空间。
你可以想象一下，将一块硅板加倍，制作一块40英寸的太空板。
环顾四周，看看其他显示器有什么功能……
与Sense相比，我喜欢这里提供的很多东西，但我在你们的github页面上看到了一些“增强”请求。不确定这些实现的可能性/可能性有多大?
1)监控除断路器外的总(市电)功率。
2)添加“sense like”设备检测(可编程…不像Sense那样“智能”或复杂，而是用来识别共享电路的大量设备)
对我最有价值的是:
3)电压监测和质量分析。
我会注意到，Sense可以完成所有这3件事，这可能是那些比较规格的人的一个卖点，但我也对仅仅依赖机器学习缺乏信任，这是Lantern PM的一大优点。
re3:应用程序中当前有任何电压测量显示吗?
许多能源监视器插入两个(或多个)相腿电压监测。我不确定他们是否将每条腿的测量与适当的电流读数配对，以便更准确地计算功率，但至少它可以显示中性等问题。由于灯笼PM插头插入一个插座，电压测量大概只有一个腿到中性。
如果树莓派平台使这成为一个困难的前景(?)，也许一个集线器可以连接到一个阶段，一个单独的集线器连接到另一个阶段?我看到这在你的线程提到关于三相，但然后应用程序可以处理显示和分析适当的电压数据，以跟踪电能质量等?
该应用程序在校准时显示电压读数，电压读数和15个端口的功率读数每秒钟发送到服务器。电压读数并没有显示在所有的功率读数旁边，但我可以在UI中找到一个地方，数据已经进入了手机。
pi上的gpio端口有两个专用的芯片选择引脚。我使用MCP3008芯片进行模拟数字转换，每个芯片有8个通道。所以在我现在使用的硬件上，我总共有16个ADC通道可以使用。为了充分利用每个pi，我选择用一个电压互感器来监视一个相位，并使用其余的通道来测量断路器。没有人说我不能设计另一个板子，并使用一个多通道来读取其他阶段(或使用两个多通道来读取3阶段)，但为了获得最大的收益，我选择推断其他阶段。如果你连接第二个集线器，把它的VT放在第二个阶段的一个出口上，那么是的，我将有两个阶段的数据，通过一点额外的配置，我可以在应用程序中分别显示它们。
在优先级方面，添加实时电压读数非常简单。如果你想查看你所查看的时间框架内每个读数的历史图表，以及为每个集线器标记阶段的能力，这将需要更长一点的时间，但所有的数据目前都在跟踪和存储，它只需要很好地打包并发送到手机。
我认为接下来的首要任务是单独追踪电源。我想很多人最终不会跟踪他们面板中的每一个断路器，如果你也想从一个网格到另一个网格跟踪，这就成了一个问题。软件的改变可能只需要几天时间，但我需要一个合适的CT，它足够大，可以绕着电源运行，而且绝缘良好，这样我就可以在家里进行测试。
我认为感官功能是一个相当低的优先级。一旦你单独追踪每一个断路器，可以看到细节，我想你会发现它是相当容易的使用洗碗机从垃圾处理机或灯都在同一个断路器。有一天我可能会这么做，但要等到对该功能有大量需求的时候。
听起来是个很棒的项目!我准备添加到您的Kickstarter活动，但我不清楚附加选项的主要PCB套件与VT和15 ct。如果我想额外的CTs额外的断路器，我将需要另一个PCB套件和CTs而不是另一个VT，对吗?是否有一个仅用于PCB和ct的附加选项?
每个PCB都需要自己的电压互感器。我的车库里有两台，它们都插在电源插条上。重要的是，每个PCB获得自己的干净电压信号，以获得准确的读数。
“删除”
感谢您的回复。没有意识到，但似乎KS运动昨天结束了。请让我知道我是否还可以被添加到项目。
@mark -我正在强烈考虑支持这个项目，作为一个类似领域的工程师，这个价格对HW来说似乎是一个公平的价格，我非常感谢你们的隐私政策和开源方式-(给读者:意味着即使业务后来转向或消失，或者如果用户想要完全的本地数据控制权，买家也可以使用设备)
我在这里或github上没有看到任何关于CE认证的东西，或高压安全处理的方式。我通常不处理(在我的职业生涯中)超过48伏的任何东西，所以这不是一个我所知道的太多的空间-显然，当按预期工作时，变压器降压信号到MCP3008的输入abs max (Vdd + 0.6伏)-但这里是否需要某种保护，以隔离PI /用户的情况下，组件故障，等等?
YHDC SCT013 CT通过CE认证，并内置负载电阻，适用于CT的额定安培值。负载电阻防止在二次绕组中产生大电压。
许多其他的功率显示器有负载电阻内置于板和使用CT没有负载电阻内置于。问题是，如果将CT连接到断路器上，而CT没有连接到电路板上，那么CT断开的一端会产生非常大的电压，这就产生了安全隐患。我选择使用内置负载电阻的CTs，所以如果他们在连接到板之前错误地连接到断路器，它仍然是相当安全的。
在板上安装负载电阻的另一个问题是它必须与所选电流互感器的尺寸相匹配。那么多其他的板的规模最大，100A CT。问题是，在低功率下，精度会降低。我觉得我选择了一个既安全又准确的设计。
感谢您的回复。
我已经支持你三个完整的套件(看起来像KS刚刚使它完成，太，祝贺!)
我经常推荐IotaWatt的一件事是负荷研究——监测主要馈线电流，看看峰值是什么。这对于计划电气化的人很有用——更换燃气用具或增加电动汽车，并想要检查它们是否有可用的容量或需要一些负载管理或服务能力升级。所以我同意增加监控主干线的能力是很重要的。同样重要的是，软件将允许用户为此目的看到电流，而不仅仅是功率。使用IotaWatt，它没有内置的功能来报告最大峰值的量级、大小和时间/日期——你必须下载数据并使用其他软件，或者浏览不同时间段的图表。这将是一个真正的差异化功能，使你的产品比IotaWatt更有吸引力。
总的来说，你所提供的每一美元的价值似乎比IotaWatt更有价值，特别是对于那些愿意创建自己的板的人来说，我希望Kickstarter能够成功—-这对于IotaWatt来说是件好事。数字很接近，但时间不多了!
灯电源监视器已经能够显示这些数据。当你在你的面板上跟踪每个断路器时，没有必要单独跟踪市电，因为单个断路器的总和将与市电相匹配。你可以看到峰值功率为任何一天，月，年，或一生头在应用程序今天。当然，这只有在你跟踪每一个断路器的情况下才会起作用，因此，对那些不想投资足够多的电流互感器来单独跟踪所有东西的人来说，单独跟踪电源的功能是一种增强。
对不起，我可能没有把重点强调得足够清楚:RMS电流，而不是功率，是评估容量所需要的。考虑到CT的原始数据是最新的，计算均方根和计算功率一样简单，这应该不难报告，但据我所知，软件中还没有这一功能。
哦，我明白了，抱歉我误会了。是的，集线器正在使用有效值电流和有效值电压计算视在功率，但现在只有真正的功率被发送到服务器。我可以两者都发送，但存储需求会翻倍。我会再考虑一下的，谢谢你让我注意到!
恭喜你在kickstarter上获得成功，感谢你思考如何处理这个用例。
好吧，我同意。
我错过了这个。还有办法订一个吗?
马克刚发现你的竞选活动结束了。还有可能做出承诺吗?我对PCB套件+ VT和CTs感兴趣。
如果是，我该怎么做呢?我的面板的电源是200安培。有200安培的中电吗?
通过上面的讨论，我了解到监控直流电路和监控交流电路是不同的。我的设置将包括太阳能光伏，电池和各种直流电路。我能用它来监视我家的直流电路和交流电路吗?
不幸的是，不，目前的传感器不能与直流工作，软件也没有设置处理这一点。IotaWatt也不能做dc。
有很多仪器可以做直流功率测量和记录，很多光伏和电池系统都有一些内置的功能。但我不知道有什么定价适中的预先配置为可以监控多个渠道的产品。这是一个非常好的系统，但我认为它很贵:
https://www.packetpower.com/dc
如果你想重复开发你自己的系统的项目，处理直流更简单，只要做功率计算/测量，你可以使用非常慢的采样率。例如，这个工具包可以用正确的Arduino为您提供多达16个通道的数据记录:
https://learn.adafruit.com/adafruit-data-logger-shield
再加上目前的传感器，每个大约20美元。
伟大的技巧。我是adafruit.com的粉丝。我去查一下。
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