ご挨拶！
私たちはRubetek社であり、スマートホーム向けソリューションの開発に取り組んでいます。
この記事では、Wi-Fiラインのデバイスの開発中に、接続された電化製品の電力を正確に測定するソリューションを選択した方法について説明します。
Wi-Fiコンセント
どのようなデバイスを使いましたか？
Rubetek Wi-Fiソケットは、最大3000ワットの電力で接続された電化製品のリモート電源管理用に設計されたデバイスです。 コンセントは、ケースにあるボタンを使用してローカルに（スマートフォン-WiFiソケット、スマートフォン-WiFiルーター-Wi-Fiソケット）、ルーターがインターネットに接続されているときにリモートで制御されます。
デバイスのステータスは、RFソケットに接続されたセンサーをトリガーするか、ユーザーが事前に構成したスクリプトによって変化します。
デバイスの重要な機能の1つは、接続された負荷の電力消費を制御することです。
負荷レベルを表示するために、ソケットはLEDインジケータを使用して、負荷が消費する電力に応じてグローの色を変更します。
このデバイスを使用すると、互換性のあるセンサーをEV1527プロトコル（433.92 MHz、ASK）RFセンサー（移動、開口部、水漏れ、ガス漏れ、煙漏れ）に接続し、接続されたデバイス間の相互作用シナリオを作成できます。
さらに、スマートコンセントはApple Homekitプラットフォームと互換性があり、Siriの音声アシスタントによる管理をサポートします。 インターネット経由のリモートHomekit制御はApple TVを使用してのみ可能ですが、Apple TVを使用せずにiPhoneから音声をローカルで制御できます。
最初の試み
最初の段階では、Z-Waveモジュールが将来のアウトレットの基盤として選択されました（図2）。
参照条件によると、ソケットは、1 W以下の誤差で、0 Wから3000 Wの範囲の単相回路の消費電力を測定することになっています。
- 負荷で消費される電流と負荷での電圧を測定するために、デュアルTSV522オペアンプ、電流シャント、抵抗性アンプの回路が使用されました。
Z-Waveモジュールの最初のプロトタイプ
負荷によって消費される有効電力の計算は、次の式で計算されました。
ここで：
P-負荷によって消費される有効電力
Uは効果です。 主電源電圧に等しい負荷電圧
私は効果です。 負荷電流
φ-負荷での電流と電圧間の位相シフト
- 利点は、低入力電流（1μA）と低バイアス電圧（0.8 mV）でした。 入力信号と出力信号には電圧スイング（レールツーレール）がありました。
- 0〜3000 Wの範囲で最大100 Wの消費電力で負荷電流を測定する精度は私たちには適さず、それを増やすために、共通の電流シャントで動作し、異なる増幅係数を持つ2つのオペアンプを使用しました：範囲は0 W〜100 Wで、ゲインの低いアンプは100 W〜3000ワットの範囲で機能しました。
Wi-Fiコンセントを開発する際の主な要件の1つは製品のコンパクトさでした。そのため、アンプとADCのいくつかのケースの使用は非合理的であると考えました。 さらに、アンプの出力でのアナログ信号は非常に「ノイズが多い」ため、干渉レベルにより、負荷で消費される電力を測定する際に特定の誤差を達成できませんでした。 これは、0 Wから100ワットの範囲で動作するアンプで特に顕著でした。 （図3）。
10 W負荷の電力でのZ-WaveモジュールのADCの電流シャントからのオシログラム
この段階で、測定の精度を高め、集積度を高めるために、電力測定を実装するための新しいソリューションを見つける必要がありました。 高コストと低パフォーマンス、およびオペアンプのため、Z-Waveモジュールを放棄することが決定されました。 新しいベースはWi-Fi MCUです。
Wi-Fiを支持してZ-Waveを拒否したのは、Wi-Fiの明らかな利点によるものです。
スマートフォンにWi-Fiが存在するため、アプリケーションからコンセントを直接制御でき、ルーターに接続して世界中のどこからでもコンセントをリモート制御できます。 これにより、当社のスマートデバイス製品ラインのさらなる開発パスが決定されました。
解決策を求めて
電力測定の実装オプションの検索により、特殊なRMS測定チップが開発されました。
比較的安価なRMS-STPM14Aを選択しました。
プロトタイプSTPM14Aモジュール
このRMSは、有効電力、無効電力、皮相電力、電流の電流値、電圧、周波数を測定し、変流器とシャントをサポートし、消費電力が低く、測定精度が高く、信頼性の高いデータの送信と保存を行います。 一般に、STPM14は多くの点で私たちに適しています。
ブロック図STPM14A
しかし、いくつかの短所がありました。
STPM14Aを使用する場合、データ処理段階で問題が発生しました。この測定用マイクロ回路にはデジタル出力がなく、周波数信号のみがあり、周波数信号を処理するにはWi-Fi MCUのリソースが必要でした。 当社のWi-Fi MCUには、他の多くの機能が既にロードされています：個別の信号の処理、サーバーとの対話、暗号化、タイマー、スクリプト。 周波数信号の処理は、機能の他の部分に影響を与えることなく実装することは不可能であることが判明しました。
STPM14Aにはデジタル出力がないため、代替ソリューションの検索に戻る必要がありました。 いくつかのオプションを検討した結果、STPM32チップにとどまることにしました。 UARTを介して接続されたWi-Fi MCU STPM32。
STPM32は混合信号処理デバイスです。 プロセッサは、アナログユニットとデジタルユニットで構成されています。
アナログが含まれます：
- プログラマブルゲインと低バイアスを備えた2つの低ノイズアンプ。
- 4つの24ビット2次デルタ-シグマADC。
- 温度補償が独立した禁止ゾーンに基づく2つの電圧リファレンスのソース。
- 低ドロップ電圧レギュレータ;
- DCバッファー。
デジタルユニットは、デジタルフィルタリングステージ、ハードウェアデジタルシグナルプロセッサ、入力信号用バッファステージ、およびシリアルインターフェイス（UARTまたはSPI）で構成されています。
STPM32測定マイクロ回路には、アナログ電流および電圧信号を処理するための2つのチャネルが含まれ、その後デジタル信号に変換され、デジタル化された信号をリアルタイムで処理するように設計された高精度デジタルシグナルプロセッサDSPを備えています。
これらすべての利点の背景にある主な最も顕著な欠点は、小信号を最大ゲイン（16x）で処理する場合、電流測定の誤差が増加することであることが判明しました。
STPM32のブロック図
テスト方法
パフォーマンスとテストをテストするために、ブレッドボードを開発しました。
そして、それはSTPM32のプロトタイプの電力測定のように見えます
テストは、さまざまな負荷で、数ワットから3.5 kWまでの電力で行われました。 負荷としては、白熱灯、電熱素子（抵抗負荷）、蛍光灯と電動工具（抵抗誘導負荷）、力率改善器なしのスイッチング電源を備えた電化製品（抵抗容量負荷）を使用しました。
デバッグボードでのプロトタイピング中に、私たちは完全に満足する肯定的な結果を得ました。 STPM32はタスクにうまく対処し、スマートソケットで使用できます。
その後、デバイスの合計測定誤差が実際の測定値と一致しないことが明らかになりました。 これらのデータは、さまざまな価格カテゴリのいくつかの家庭用電力メーターでインジケーターを測定することで取得しました。
負荷電力の測定の指定された精度を達成するために、生産段階でシリアル製品を較正することが決定されました。 このために、STPM32基準電力計を使用して較正された別のスタンドを含む特別なスタンドが設計および製造されました（図6）。
スタンドは、電気的安全性を確保するために、ネットワークから電気的に絶縁されていました。
組み立て後の各製品は、スタンドの接触装置に接続されていました。
オペレーターは、インストール中およびファームウェア中にエラーがないかコンセントの電気テストを提供するプログラムを立ち上げました。 さらに、コンセントの主な機能がテストされ、STPM32が較正されました。
校正台
スタンドを使用すると、製品の高い精度の電力測定、製造可能性、および信頼性が得られました。
コンセントをフラッシュするプロセスでは、カラーパレットも配置されました（赤、青、緑の比例比率）。 このカラースケールは、LEDリムによってソケットで使用され、デバイスに接続されている負荷によって消費される電力を表示します。
結果は何ですか？
これは、このような機能を実装する最初の試みでした。 多くのオプションを試したという事実にもかかわらず、これには良い面もあります。経験から、すべてのサンプルの長所と短所を研究し、作業に必要なマイクロ回路を決定しました。
電源をリモート制御できる従来のデバイスから電力を測定する機会を持つWi-Fiコンセントは、ユーザーの生活を大幅に簡素化するスマートデバイスに変わりました。
まだ多くの作業が先にあります。上記で、現在開発中のWi-Fi回線全体について言及しました。 たとえば、コンセントに加えて、制御モジュールはすでに購入可能です。 他の多くのスマートデバイスが準備されています。
次の記事でそれらについて確実に説明します。