Sven337

Suivre sa consommation électrique avec un Raspberry Pi

09 Mar 2014

Cet article détaille comment suivre sa consommation électrique avec un Raspberry Pi et un montage électronique simple et surtout très bon marché. Il nécessite de disposer d’un compteur électrique suffisamment moderne.

Table des matières

  1. Introduction
  2. La sortie téléinfo
  3. Travaux précédents
  4. Architecture
  5. Réalisation électronique
    1. Simulation
      1. Qu’est-ce qu’on aimerait avoir ?
      2. Qu’est-ce qu’on a ?
      3. Redressement double alternance
    2. Achat des fournitures
    3. Assemblage et branchement
  6. Intégration logicielle
  7. Graphes
    1. Graphe RRD
    2. Graphe Javascript

Introduction

Le Raspberry Pi est un mini ordinateur capable de faire fonctionner Linux, et qui coûte peu cher. De nombreuses personnes suggèrent de s’en servir comme serveur (web, e-mails, …), mais je doute que ses performances soient suffisantes pour cela. (À vrai dire je n’ai jamais testé car j’utilise un eeePC 701 comme serveur depuis plusieurs années, dont je suis très satisfait.)

Néanmoins je possède un Raspberry Pi, ainsi qu’un placard électrique dans lequel je peux le poser, le brancher, et l’interfacer avec le compteur. En avant !

La sortie téléinfo

La sortie téléinfo est présente sur tous les compteurs EDF de moins de quelques années. Le mien ressemble à cela : "Compteur A14C5". La vis que j’indique sur la photo n’est normalement pas scellée, et permet d’ouvrir la trappe inférieure qui vous donnera accès aux bornes I1/I2 (à gauche) de la téléinfo. Il y a deux autres bornes qui elles véhiculent (parfois) du 230V AC, donc ne mettez pas les doigts, je crois qu’elles servent pour brancher une lampe témoin du jour plein (option tarifaire désuète).

La téléinfo répond à une spécification disponible en ligne : http://norm.edf.fr/pdf/HN44S812emeeditionMars2007.pdf. De nombreux projets se contentent de capter l’impulsion lumineuse du compteur (une impulsion = 1W.h en général), mais la sortie téléinfo peut nous donner bien plus que cela :

La sortie téléinfo implémente un protocole qui n’est électriquement pas compatible avec les protocoles que parlent les ordinateurs en général (RS-232, USB, parallèle, …), ni d’ailleurs avec les protocoles du monde de l’informatique embarquée tels que I2C, SPI, ou un bête GPIO. C’est un choix curieux de la part d’EDF, mais le protocole téléinfo est assez facile à convertir en un protocole connu tel que RS-232. La spécification est publique et plutôt bien écrite, alors au travail !

La forme du signal est la suivante : un 0 correspond à une sinusoïde à 50KHz variant entre -12V et +12V, un 1 correspond à un plateau à +0V. (Mise à jour en 2016 : j’ai enfin relié un oscilloscope au compteur pour regarder le signal !)

Signal issu du compteur correspondant à un 0

RS-232 utilise quant à lui +12V pour un 1, et -12V pour un 0. Cette tension négative est un choix technique discutable qui complique la vie de l’électronique moderne souhaitant implémenter RS-232. En général les circuits intégrés ont une UART qui utilise des niveaux de signaux différents (TTL) : +Vdd = 3.3V pour un 1, et +0V pour un 0. C’est plus simple, et plus logique… mais les ports série des ordinateurs “parlent” du vrai RS-232. Le circuit MAX232 est un exemple de circuit intégré qui s’occupe de la conversion des niveaux entre RS-232 “réel” et RS-232 TTL (celui à 3.3V).

Travaux précédents

J’ignore ici les montages basés sur la détection de l’impulsion lumineuse. De nombreuses personnes ont réalisé des montages (et parfois créé une activité commerciale) permettant d’interfacer la téléinfo avec RS-232.

Le problème de ces montages est que bien souvent ils visent à obtenir une compatibilité avec RS-232 (par exemple https://store.adtek.fr/home/12-interface-teleinfo-rs232.html ou https://store.adtek.fr/home/10-teleinfo-usb-sans-souris-folle-v2.html. Je ne connais pas cette société ni leurs produits, dont je n’ai pas de raison de penser qu’ils fonctionnent mal. Par contre, dépenser 30 euros ou plus pour ce genre de montage est clairement en dehors du budget que je m’étais fixé.). Or, RS-232 ne nous intéresse pas, puisque le R-Pi implémente RS-232 avec des niveaux TTL, incompatible, mais aussi plus simple. Je ne suis bien sûr pas le premier à le remarquer, et on voit des montages qui consistent à brancher directement un optocoupleur bidirectionnel SHF6206 à la sortie téléinfo et au Pi… sauf que ce modèle est pratiquement introuvable, et que de manière générale les optos bidirectionnels coûtent cher. On trouve un exemple abouti et bien expliqué, qui a servi de base à ma réalisation, à l’adresse suivante : http://www.chaleurterre.com/forum/viewtopic.php?t=15153.

J’ai réalisé un montage différent dont l’objectif (atteint) était de n’utiliser que des composants facilement disponibles (sur eBay, DealExtreme ou AliExpress, par exemple), et peu chers.

Architecture

Ayant eu beaucoup de mal à trouver un optocoupleur qui ferait l’affaire pour un branchement direct (car il faut non seulement qu’il soit bidirectionnel mais aussi que ses caractéristiques soient compatibles avec le timing du signal, chose pas toujours facile à garantir), j’ai opté pour un montage redresseur et un filtrage (permettant d’obtenir 0 = +12V constant, 1 = +0V, qui attaque l’optocoupleur le moins cher que j’ai pu trouver, dont la sortie est reliée au Pi de manière similaire au message du forum dont je donne un lien ci-dessus.

Voici le schéma correspondant (cliquez pour l’avoir en grand): Schéma redressement téléinfo

J’ai d’abord tenté un redressement simple alternance, mais comme on verra dans le paragraphe suivant ce n’était pas une bonne idée.

Réalisation électronique

Simulation

Avant toute chose et afin de dimensionner correctement les composants, j’ai choisi de simuler le circuit à l’aide de ngspice (logiciel libre disponible sous Linux). Ce type de simulateur ne donne pas toujours de bons résultats mais pour un circuit aussi simple il nous sera très utile. Une alternative consisterait à calculer la valeur du condensateur et de la résistance de protection de l’optocoupleur à la main, mais cela nécessiterait de savoir ce qu’on veut obtenir en termes mathématiques ! En réalité, on se contentera de regarder la forme du signal et de décider si oui ou non il se rapproche suffisament du signal carré attendu par l’UART du Raspberry Pi. N’ayant pas d’oscilloscope, je fais tout cela en simulation.

Voici un premier circuit à simuler, avec redressement en simple alternance : Circuit redressement mono alternance

Pour lancer la simulation, ngspice filtrage_1diode.net va charger le fichier, ensuite la commande tran 0.05us 3.2ms fait une simulation pendant 3.2 ms par pas de 0.05 us, et on peut visualiser la courbe de tension en un point donné en utilisant la commande plot. plot v(1) nous montre le signal appliqué à l’entrée : Signal d'entrée

Il s’agit de la séquence 0->1->0->1. Bien sûr, c’est plutôt la sortie qui nous intéresse. Ce qu’on voudrait voir, c’est quand est-ce que le Pi voit un zéro ou un un. Ce n’est pas quelque chose qu’on trouve directement, mais cette information dépend du courant qui traverse la LED de l’optocoupleur, qui est lui-même proportionnel à la tension aux bornes du condensateur. On se contentera donc de regarder la tension aux bornes du condensateur, et de décider au doigt mouillé si les transitions sont suffisamment franches ou pas.

Pour la tension aux bornes du condensateur, c’est plot v(3). On obtient la courbe suivante : Redressement mono-alternance

Qu’est-ce qu’on aimerait avoir ?

Un beau signal en créneau !

Qu’est-ce qu’on a ?

Un moche signal en créneau :) Plus sérieusement, deux éléments attirent l’oeil :

  1. l’ondulation résiduelle entre 4.5 et 5.7V, alors qu’on aimerait quelque chose de bien plat. Cela pourrait se traduire par 0 qui n’est pas complètement stable et qui risquerait d’être mal interprété
  2. le temps de chute lors du passage à 0V, qui est tellement important que le 0V n’est jamais atteint. Cela pourrait se traduire par un 1 qui est systématiquement lu comme un 0 car le niveau logique bas n’est jamais atteint

Ces points sont-ils vraiment un problème ? Dur à dire sans rentrer plus en détails dans les caractéristiques de l’optocoupleur.

Redressement double alternance

On peut améliorer l’ondulation résiduelle en faisant un redressement double alternance, ce qui correspond au schéma que j’ai présenté plus haut.

Circuit redressement double alternance

Voici le signal aux bornes du condensateur : Redressement bi-alternance

Si le temps de chute n’a pas bougé, et reste inquiétant, on note que l’ondulation résiduelle est bien meilleure (car on charge le condensateur deux fois plus souvent, il se décharge donc deux fois moins pendant l’oscillation !). On pourrait faire mieux, mais il faudrait alors augmenter la capacité (ce qui compromettrait très fortement le temps de chute, alors qu’on est déjà limite), ou diminuer la résistance R1 afin d’augmenter le courant de charge - mais cela nous sortirait de la spécification d’EDF, ce qui nous enverrait probablement directement en prison après le départ de feu à notre compteur !

Pour améliorer le temps de chute, on peut jouer sur la valeur de R2, mais on assiste alors (je vous laisse jouer avec Spice) à un phénomène de vases communicants : le passage à 0 est plus rapide si on diminue R2, mais l’ondulation résiduelle à 1 devient très importante. La valeur de R2 est contrainte par la sécurité de l’optocoupleur, qui nous impose dans la datasheet un courant maximal correspondant à une résistance d’au moins 270 Ohm. J’ai choisi 2.2 kOhm.

En 2016, après plusieurs années de bons et loyaux services de ce système qui semble fonctionner parfaitement, j’ai relié un oscilloscope au module pour regarder la “vraie” allure du signal, et pas seulement celle issue de la simulation. On est assez proche.

Sortie du module Entrée et sortie du module superposées

Achat des fournitures

Assemblage et branchement

J’ai réalisé un premier prototype sur platine d’essai (breadboard). Le fonctionnement m’ayant donné satisfaction j’ai décidé de réaliser un assemblage plus propre sur un PCB proto, que j’ai ensuite placé dans un écrin en carton-de-paquet-de-biscuits.

Montage final en écrin carton

Note : les connexions sont faites avec des jumper wires que j’ai soudés. En effet ce type de PCB dispose de pastilles mais pas de pistes pré-tracées, et je me suis rendu compte que les connexions sont finalement assez difficiles à faire. Je préfère travailler avec une Veroboard.

Intégration logicielle

Si tout est bon matériellement, le Pi recevra sur son port série un signal qu’il est capable de comprendre. Il faut tout de même:

  1. s’assurer qu’aucun programme (par exemple un getty pour la console série) n’écoute sur le port série
  2. configurer le port en 1200 baud, 7/E/1 (7 bits de données, 1 bit de parité paire, 1 bit de stop)
  3. lancer un programme pour écouter sur le port série
  4. créer des tableaux, des graphes, présenter tout dans une application web, …

Je couvrirai le dernier point dans un article séparé, qui concernera l’électricité mais aussi le gaz.

Mon Raspberry Pi fonctionne avec la distribution Arch Linux, et voici le script que j’utilise :

	systemctl stop serial-getty@ttyAMA0.service
	./ti_cat | egrep '^(PAPP|BASE)' -a --line-buffered | ./cksum | ../~sven337/data/report_to_hm_web.sh

La deuxième ligne n’est pas l’expression la plus simple.

Au final, on obtient, chaque minute, l’indice du compteur, ainsi que la puissance apparente. (On pourrait penser à intégrer la puissance apparente pour obtenir l’indice, mais comme me fait judicieusement remarquer Bruno en commentaire, cela n’est pas correct car les particuliers payent l’énergie active et non l’énergie apparente.)

Ces programmes sont disponibles sur Github : https://github.com/sven337/home-monitoring-client dans le répertoire edf. Les autres programmes seront couverts dans les articles suivants, parfois en anglais. Si vous ne parlez pas anglais et qu’un article vous intéresse, je ferai la traduction sur demande. Mon objectif est de décrire en français ce qui concerne uniquement notre brave patrie, et en anglais ce qui peut intéresser une plus large audience.

Graphes

Je traiterai cela plus en détail dans un prochain article, mais voici quand même un teaser:

Graphe RRD

Graphe de consommation RRD sur une semaine

On voit ici plusieurs informations intéressantes, mais c’est à grosse maille. J’ai beaucoup cuisiné vendredi soir, et on peut voir que le four et les plaques à induction étaient allumés en même temps car j’ai consommé une puissance importante. On voit également assez facilement que, contrairement à mon habitude, j’ai cuisiné le mardi midi en plus du soir (je ne me souviens pas de ce que j’ai mangé et cela n’est pas sur le graphe). Le trou mercredi correspond à la désactivation temporaire du système de reporting afin de prendre les photos qui sont présentes sur cette page. (Ce n’est d’ailleurs pas une grande réussite).

Le total de puissance et le coût correspondant sont calculés par RRD avec le script rrd_render_graphs.sh.

Graphe Javascript

Graphe de consommation sur la journée

Ce graphe est interactif, en Javascript, et créé à partir des mêmes données. Sur la capture que je montre ce sont les données sur une journée. On visualise entre 1h et 2h du matin l’activation du compresseur du réfrigérateur, puis à nouveau de 4h à 5h. Je me suis levé vers 8h50 et j’ai allumé mon ordinateur. Un peu avant 12h on observe la courbe caractéristique (parce que j’ai l’habitude de la voir) de la plaque à induction utilisée pour faire chauffer de l’eau : en mode booster pendant quelques minutes à 3.2kW, puis à 1.75kW pendant le temps de cuisson de ce qui était (je m’en souviens) des pâtes. On a ensuite la bouilloire électrique, l’aspirateur, et le sèche-cheveux, le tout pour une consommation en régime permanent d’environ 300W (informatique, réfrigérateur, VMC) en journée, et 600W le soir (éclairage à économie de gaz naturel, je veux dire, éclairage incandescent).

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