Design of low cost load monitoring and control modular board using MQTT Protocol

Abstract

This thesis proposes a modular and economical design and development of a circuit that could measure and control electrical power consumption for homes, offices or industrial plants. The proposed circuit was designed and developed using the MQTT protocol and Tasmota firmware with the Node MCU ESP8266. The hardware circuit consisted of two circuits: The main circuit with a processor and port for communication and the expander circuit with 16 channels applicable for both digital and analog inputs. The measurement of power and power quality utilized the digital AC power measurement module PZEM004TV3 and the ACS712 current sensor. The data were sent to display through platform Home Assistant program with the MQTT broker installed on the Raspberry Pi board. The results of the analysis and tests of the developed circuit showed that the circuit could measure and control the power consumption as designed; having ability to operate as a modular manner. The investment cost was 412.5 – 931 Baht, which was 2-5 times less expensive than the existing circuits, as well as having capability of long distance data transmission. The accuracy and completion of the transferred data was more than 98.36% with low average power consumption of 8.5 watts and achieved 1.64% higher power quality estimation accuracy than the standard equipment.

วิทยานิพนธ์นี้นำเสนอการออกแบบและพัฒนาวงจรที่สามารถตรวจวัดและควบคุมการใช้พลังงานไฟฟ้าสำหรับบ้านเรือน สำนักงาน หรือโรงงานอุตสาหกรรมที่มีลักษณะโมดูลาร์และราคาประหยัด วงจรที่ออกแบบและพัฒนาขึ้น ปฎิบัติการภายใต้ข้อกำหนดการส่งผ่านข้อมูลแบบเอ็มคิวทีที ใช้คำสั่งปฎิบัติการบนวงจรรวมทาสโมต้าร่วมกับบอร์ดควบคุมแบบโหนด เอ็มซียู อีเอสพี8266 วงจรด้านฮาร์ดแวร์ประกอบด้วย 2 วงจร ได้แก่ วงจรหลักที่มีหน่วยประมวลผลและช่องสำหรับการเชื่อมต่อ และวงจรขยายที่มีช่องสำหรับการเชื่อมต่อทั้งแบบ ดิจิทัลและแอนะล็อกรวม 16 ช่อง ส่วนตรวจวัดกำลังและคุณภาพไฟฟ้าได้แก่ โมดูลตรวจวัดกำลังไฟฟ้ากระแสสลับแบบดิจิทัล PZE004TV3 และเซนเซอร์วัดกระแสไฟฟ้า ACS712 ข้อมูลตรวจวัดจะถูกส่งไปแสดงผลผ่านโปรแกรม Home Assistant ตามมาตรฐานเอ็มคิวทีทีที่ติดตั้งบนบอร์ด Raspberry Pi ผลการวิเคราะห์และทดสอบวงจรที่ออกแบบและพัฒนาขึ้นพบว่า วงจรสามารถตรวจวัดและควบคุมการใช้พลังงานไฟฟ้าได้ สามารถปฎิบัติการได้ในลักษณะโมดูลาร์และมีต้นทุนราคา 412.5 – 931 บาท ซึ่งมีราคาถูกกว่าวงจรที่มีอยู่ ณ ปัจจุบันมากกว่า 2-5 เท่าสามารถส่งข้อมูลระยะไกลได้ ข้อมูลมีความถูกต้องและครบถ้วนมากกว่าร้อยละ 98.36 อัตราการใช้กำลังงานเฉลี่ยต่ำที่ 8.5 วัตต์และมีประสิทธิภาพการประมาณการคุณภาพกำลังไฟฟ้าที่แม่นยำและถูกต้องสูงกว่าอุปกรณ์มาตรฐานคิดเป็นร้อยละ 1.64