Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente

Imagine poder controlar todos los dispositivos electrónicos de tu hogar desde tu smartphone o con solo una voz. Esto ya es posible gracias al avance de la tecnología y al desarrollo de dispositivos como el enchufe inteligente y el tablero de distribución inteligente. Estos pequeños dispositivos están revolucionando la forma en que interactuamos con la energía eléctrica en nuestra casa, brindándonos comodidad, seguridad y eficiencia energética. En este artículo, exploraremos cómo funcionan estos dispositivos y cómo pueden mejorar nuestra calidad de vida. No te lo pierdas, ¡descubre el futuro de la electricidad en tu hogar!

Un proyecto final sobre “Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente” presentado por Geoji George (de la Universidad Tecnológica APJ Abdul Kalam) a extrudesign.com.


Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente

Abstracto

Cada día se producen numerosos accidentes en todo el mundo debido a averías o fallos eléctricos. Un tiempo de respuesta rápido ayudaría a reducir el número de víctimas y de víctimas graves en estos accidentes. Por eso proponemos un sistema que detecta cualquier fallo en el sistema eléctrico y avisa al usuario en tiempo real. El sistema también proporciona información sobre el factor de potencia en tiempo real, el consumo de energía, etc. El factor de potencia adecuado es un aspecto importante en un sistema eléctrico ya que reduce la carga en el sistema de distribución eléctrica, aumenta la eficiencia energética, reduce los costos de electricidad y también reduce el probabilidad de inestabilidad y falla del equipo.

Los distintos sensores, como el sensor de corriente, el sensor de voltaje y el sensor de potencia, están conectados al distribuidor. Los sensores leen datos y los envían a un servidor basado en Raspberry Pi mediante un microcontrolador basado en ESP8266. Raspberry Pi procesa estos datos utilizando algunos algoritmos y envía los resultados a una plataforma en la nube como Firebase, que está integrada en una aplicación multiplataforma. Habrá un enchufe inteligente que se podrá utilizar para controlar y monitorear dispositivos individuales a través de una aplicación. La aplicación también advierte sobre condiciones climáticas adversas como tormentas, rayos, etc. que pueden causar daños a los aparatos eléctricos, permitiendo al usuario apagar los dispositivos de forma remota para protegerlos.


Palabras clave: Consumo energético, sensor de corriente, sensor de voltaje, Raspberry Pi, Smart Plug.

I. Introducción

El poder es el alma del mundo relacionado con la electricidad, y “electricidad” es la palabra que ahora gobierna el mundo. Por ello, el uso adecuado de esta materia prima es de enorme importancia para nosotros. Los sistemas tradicionales requieren que una persona y un agente vengan personalmente, registren las lecturas e informen el monto a pagar al hogar u oficina. Por esta razón, los consumidores presentan numerosas quejas contra KSEB debido a importes de facturación elevados e irrazonables. Por lo tanto, un sistema de alerta y monitoreo del consumo de energía fácil de usar podría ayudar a reducir el consumo de energía no deseado y reducir hasta cierto punto las disputas sobre facturas de electricidad. Detectar y corregir el factor de potencia es un aspecto importante a tener en cuenta, ya que cambiar el factor de potencia puede dar lugar a fuertes multas por parte de KSEB. El factor de potencia correcto aumenta la eficiencia energética, reduce los costos de electricidad y también reduce la probabilidad de inestabilidad y fallas del equipo. Existen numerosos accidentes que tienen su origen en fallos de funcionamiento de los sistemas eléctricos. Actualmente no existe un sistema de alarma o advertencia adecuado.

El tema principal del trabajo es el desarrollo de un tablero de distribución inteligente acoplado con varios sensores e integrado en una aplicación multiplataforma que puede informar a los usuarios sobre fallas en el sistema eléctrico, mostrar su consumo de energía en tiempo real, emitir alertas y alertas necesarias. , etc. y un sistema de corrección automática del factor de potencia.

A) Planteamiento del problema

La mayoría de los dispositivos, tanto en plataformas industriales como domésticas, son muy sensibles a las interferencias eléctricas y reemplazarlos costará una fortuna. Se requiere un sistema adecuado que actúe como una capa adicional de protección para el equipo al detectar tempranamente si se está produciendo una sobretensión eléctrica y emitir una alerta a través de dispositivos portátiles, minimizando así el riesgo de una catástrofe. Los usuarios deben conocer su consumo energético en tiempo real para poder utilizar la electricidad de forma inteligente. Esto ayudará a reducir las disputas entre los consumidores y KSEB por importes elevados e irrazonables en las facturas de electricidad.


B) Sistema de seguimiento y alerta del consumo de energía.

Control de barreras de tráfico – Ejemplo de PLC…

Por favor habilite JavaScript

Con la ayuda de un módulo (medidor de energía principal) que utiliza varios sensores, los consumidores recibirían datos en tiempo real sobre su consumo de energía. También avisa al consumidor si hay alguna anomalía en el sistema.

C) Sistema de advertencia de fluctuación de voltaje.

La unidad de control de tensión detecta las fluctuaciones de tensión y notifica al usuario. Incluso se pueden realizar acciones como desconectar el dispositivo del circuito (o apagar el disyuntor principal), pero esta es una característica puramente opcional y escalable.

D) Sistema de alerta basado en condiciones climáticas adversas.

Esta función inteligente es un enriquecimiento para nuestro proyecto. Aconseja al usuario que tome precauciones ante las duras condiciones climáticas informadas por empresas confiables de pronóstico del tiempo como Accuweather, etc.

E) enchufe inteligente

Smart Plug es un dispositivo que nos ayuda a controlar el dispositivo de forma inalámbrica a través de la aplicación multiplataforma. Incluso podremos monitorizar el consumo de corriente y voltaje del dispositivo. El Smart Plug se utiliza para controlar y monitorear dispositivos de forma remota. En caso de interferencias o fluctuaciones climáticas, podemos aislar el dispositivo mediante un enchufe inteligente. El Smart Plug consta de un módulo de relé, un sensor de corriente, un convertidor de corriente y un módulo NodeMCU. Los datos se envían a la nube de Firebase. Los usuarios pueden controlar y monitorear el enchufe inteligente a través de la aplicación móvil.

F) Aplicación multiplataforma

La aplicación multiplataforma «smart_db» es la aplicación que desarrollamos para ayudar al usuario a rastrear el consumo de energía en tiempo real y controlar los dispositivos de manera eficiente. Ayuda al consumidor a ser consciente del consumo energético y de las facturas. La aplicación advierte al usuario sobre las fluctuaciones meteorológicas, como tormentas, relámpagos, etc., para que pueda reaccionar en consecuencia. Además, los usuarios reciben notificaciones sobre cortes de energía programados, facturas de servicios públicos en tiempo real, etc. La aplicación ayuda a los usuarios a corregir el factor de potencia. Cuando se detecta un factor de potencia retrasado, se notifica al usuario en tiempo real, lo que le permite apagar el dispositivo de forma remota para reducir el factor de potencia utilizando el enchufe inteligente.

II. Reseña literaria

A) Sistema de detección y protección contra cortocircuitos y hogares inteligentes basado en IoT

Este artículo propone utilizar IoT para controlar electrodomésticos y automatizar el sistema doméstico a través de Internet. Además, el sistema protege los dispositivos incluso en condiciones de cortocircuito. Este sistema de automatización del hogar basado en IoT tiene como objetivo controlar todos los dispositivos de su hogar inteligente a través de protocolos de Internet o computación basada en la nube. Esto se hace utilizando una MCU Node para transferir datos a través de la nube, un MCB para cambiar el circuito para proteger los dispositivos y un panel LCD para visualizar actualizaciones.

B) Un control de caja de distribución inteligente para operaciones basadas en el cliente.

Este artículo propone el diseño de un controlador de caja de distribución inteligente para ayudar a los consumidores a controlar o regular el consumo de energía durante los períodos pico y valle. El sistema inteligente desarrollado asigna diferentes prioridades a diferentes cargas y elimina las cargas no prioritarias durante los períodos pico. También monitorea voltaje, frecuencia, corriente y luz solar. Los resultados muestran que al utilizar una caja de distribución inteligente, es posible una reducción del 25% en el consumo de energía y un ahorro de costos de hasta un 40%.


C) Sistema de detección de fallas monofásico basado en Arduino usando IoT

Este artículo analiza un nuevo método de detección y conmutación de fallas monofásicas basado en Arduino que se muestra en Internet. Los transformadores de corriente se utilizan para registrar los niveles de corriente. Esta corriente de salida se suministra a entre 1 y 5 unidades convertidoras para que sea legible como voltaje. Este voltaje se alimenta al pin ADC del Arduino, que lo convierte en un voltaje digital y toma las medidas adecuadas cuando ocurre una condición de falla (sc u oc). El error se muestra en la pantalla LCD y los sensores de corriente ACS712 que se ofrecen en Internet están diseñados para usarse fácilmente con microcontroladores como el Arduino. Estos sensores se basan en el chip Allegro ACS712ELC. Estos sensores de corriente se ofrecen con valores finales de 5A, 20A y 30A. La funcionalidad básica de cada uno de estos dispositivos es idéntica. La única diferencia es el factor de escala en la salida, como se describe a continuación. LED. El controlador de relé y la conmutación de relé se utilizan para cambiar una carga monofásica del sistema de distribución de energía municipal a otra fase saludable para proporcionar un suministro de energía ininterrumpido al usuario final. Se proporciona un interruptor de solución de problemas para notificar manualmente al sistema sobre la solución de problemas.

D) Unidad de corrección automática del factor de potencia con Arduino

Este artículo presenta una de las técnicas para superar las pérdidas de energía debidas a factores de potencia bajos que se encuentran en equipos domésticos e industriales pequeños comunes. En este trabajo, el voltaje y la corriente de la carga de CA se midieron mediante muestreo de ondas sinusoidales rectificadas. Para la rectificación, se desarrolló y utilizó un rectificador de precisión utilizando un amplificador operacional. El escaneo se inició cuando la onda de entrada cruzó el eje horizontal tanto para voltaje como para corriente. Además, con base en este análisis, se desarrolló un algoritmo de corrección para lograr factores de potencia cercanos a la unidad.

III. Componentes del tablero de distribución inteligente y del enchufe inteligente

1. Frambuesa Pi

Raspberry Pi es una serie de pequeñas computadoras de placa única desarrolladas en el Reino Unido por la Fundación Raspberry Pi en colaboración con Broadcom. Esta Raspberry Pi 4 está integrada con un Cortex-A72 ARM v8 de cuatro núcleos de 64 bits, Broadcom BCM2711 y funciona a una velocidad de 1,5 GHz. El nuevo producto Raspberry Pi está equipado con Bluetooth 5.0, BLE, Gigabit Ethernet y cuenta con conexión inalámbrica 802.11ac a 2,4 GHz y 5 GHz. Ofrece una transferencia de datos más rápida con dos puertos USB 3.0, dos puertos USB 2.0, una ranura micro SD para almacenamiento de datos y carga del sistema operativo. La Raspberry Pi 4 cuenta con 2 puertos micro HDMI (admite 4k@60p), puerto de pantalla MIPI DSI de 2 carriles, puerto de cámara MIPI CSI de 2 carriles y puerto de audio estéreo y vídeo compuesto de 4 pines.

2. MCU de nodo

Node MCU es un firmware de código abierto para el cual se encuentran disponibles diseños de placas de prototipos de código abierto. El nombre «NodeMCU» es una combinación de «nodo» y «MCU» (unidad de microcontrolador).[8] El término «NodeMCU» se refiere estrictamente al firmware y no a los kits de desarrollo asociados. Tanto el firmware como los diseños de las placas de prototipos son de código abierto. El firmware utiliza el lenguaje de programación Lua. El firmware se basa en el proyecto eLua y en el SDK sin sistema operativo de Espressif para ESP8266. Utiliza muchos proyectos de código abierto como lua-cjson y SPIFFS.

3. Sensor de voltaje

El módulo sensor de voltaje CA monofásico ZMPT101B se basa en un transformador de voltaje ZMPT101B de alta precisión. Esta es una opción ideal para medir voltaje CA con Arduino/ESP8266/Raspberry Pi como una plataforma de código abierto. En muchos proyectos eléctricos, los ingenieros se ocupan directamente de mediciones con algunos requisitos básicos, como alto aislamiento galvánico, amplio rango, alta precisión y buena consistencia.

4. Sensor de corriente

Los sensores de corriente ACS712 que se ofrecen en Internet están diseñados para un uso sencillo con microcontroladores como el Arduino. Estos sensores se basan en el chip Allegro ACS712ELC. Estos sensores de corriente se ofrecen con valores finales de 5A, 20A y 30A. La funcionalidad básica es idéntica para cada uno de estos dispositivos. La única diferencia es el factor de escala en la salida, como se describe a continuación.

5. módulo de relé

Los relés son dispositivos electromecánicos que utilizan un electroimán para mover un par de contactos móviles desde una posición abierta a una posición cerrada. Aquí se utiliza un interruptor de relé para desconectar la carga del medidor cuando el saldo de carga llega a cero.

6. Monitor de rendimiento

Este monitor de CA multifunción PZEM-004T es muy popular en proyectos de medición del consumo de energía. Es capaz de medir cuatro variables eléctricas interrelacionadas como voltaje, corriente, potencia y energía. El dispositivo se puede conectar fácilmente a Arduino y otro hardware mediante la biblioteca de códigos.

7. Módulo de fuente de alimentación conmutada Hi Link Hlk Pm01 5V/3W

El módulo de fuente de alimentación conmutada HLK-PM01 de 5 V/3 W es un módulo de fuente de alimentación conmutada reductor aislado con una carcasa de plástico montada en una PCB. Puede suministrar 5 V CC de 120 V CA a 230 V CA y tiene una potencia nominal de 3 vatios. Esto lo hace perfecto para nuestro proyecto, que requiere una fuente de alimentación de 5 voltios. Estos módulos ofrecen muchas ventajas, tales como: B. bajo aumento de temperatura, bajo consumo de energía, alta eficiencia, alta confiabilidad, aislamiento de alta seguridad, etc.

8.ESP32

ESP32 es un microcontrolador de sistema en un chip de bajo consumo con WiFi integrado y Bluetooth de modo dual. La serie ESP32 utiliza un sucesor de Tensilica para el microcontrolador ESP8266.

9.DHT11

El DHT11 es un sensor de temperatura y humedad. El sensor tiene un NTC dedicado para medir la temperatura y un microcontrolador de 8 bits para generar los valores de temperatura y humedad como datos en serie. El sensor también viene calibrado de fábrica y, por lo tanto, puede conectarse fácilmente a otros microcontroladores.

10. Módulo sensor de humo y gases inflamables Mq2

Este es un módulo sensor de gas semiconductor con salida analógica y digital. Este módulo utiliza el sensor de humo y gas combustible MQ2 como elemento sensor de gas. No se requieren componentes externos, simplemente conecte Vcc y los pines de tierra y estará listo para comenzar. Para la salida digital, el valor umbral se puede ajustar fácilmente mediante un potenciómetro integrado. Con este módulo podrás conectar fácilmente el sensor de humo y gases de combustión MQ2 a cualquier microcontrolador, Arduino o incluso Raspberry Pi. Dado que este módulo sensor de gas es sensible al humo, se puede utilizar para la detección de incendios. El sensor de gas MQ2 también es sensible a gases inflamables como gas licuado de petróleo, propano e hidrógeno.

11. Módulo sensor de llama Ky-026

El módulo sensor de llama KY-026 para Arduino detecta la luz infrarroja emitida por el fuego. El módulo tiene salidas digitales y analógicas y un potenciómetro para ajustar la sensibilidad. Comúnmente utilizado en sistemas de alarma contra incendios. El KY-026 consta de un LED receptor de infrarrojos de 5 mm, un comparador diferencial dual LM393, un potenciómetro de ajuste de 3296 W, seis resistencias y dos LED indicadores. La placa tiene una salida analógica y otra digital.

IV.Protocolo de comunicación para la implementación de software.

MQTT es un protocolo de publicación-suscripción que se utiliza para leer datos de IoT. La información se transmite de forma óptima. Es extremadamente liviano y mejora la escalabilidad. Dado que es un protocolo de publicación/suscripción, recopila datos con menos ancho de banda que otros protocolos. Permite la comunicación entre dos dispositivos cualesquiera. Los dispositivos pueden suscribirse a cualquier tema específico. El corredor reenviará el mensaje a cada cliente que haya iniciado sesión cuando el otro cliente lo publique. Es posible monitorear grandes cantidades de datos. También ayuda en el monitoreo remoto y es bidireccional.

La aplicación de panel MQTT ayuda a obtener valores en tiempo real y utiliza el protocolo MQTT. Los valores numéricos de los parámetros de cantidad de agua, como el pH y la turbidez, se pueden registrar gradualmente en los teléfonos móviles. Por lo tanto, el operador no quiere verificar estos valores visitando la ubicación de la estación de bombeo. Los valores exactos se recuperan en su teléfono móvil para poder comprobarlos si es necesario.

V. Diagrama de bloques

Este es el diagrama de bloques de la Smart Distribution Box. Aquí el distribuidor recopila datos del sistema de monitoreo del consumo de energía, el sistema de detección del factor de potencia y el sistema de detección de energía. Los datos recopilados se procesan dentro de la unidad del tablero de distribución inteligente y estos datos esenciales se transmiten a través de la base en la nube. La base de la nube se crea utilizando Raspberry Pi, lo que permite el acceso al dispositivo incluso desde una ubicación remota. Y se puede acceder y controlar estos datos a través de la aplicación multiplataforma. Smart Plug también está integrado en la nube para habilitar sistemas de automatización del hogar. Esto permite al usuario monitorear y controlar el dispositivo usando la aplicación multiplataforma.

Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente
Figura: Diagrama de bloques del sistema.

VI. Cuadro de distribución inteligente

Smart Distribution Board es un dispositivo basado en IOT que le brinda la capacidad de realizar pruebas eléctricas en tiempo real informadas a la nube utilizando Raspberry Pi.

En el distribuidor se utilizan varios sensores y microcontroladores para el monitoreo y procesamiento en tiempo real. Entre el aislador y ELCB, nuestro medidor de energía inteligente se utiliza para monitorear el consumo de energía, potencia, voltaje, corriente, frecuencia y factor de potencia en tiempo real. Después del ELCB están los MCB para los subcircuitos individuales. La línea de fase de salida del MCB se alimenta a sensores de corriente para monitorear la corriente en tiempo real.

Para protección adicional del distribuidor habrá un sensor de humo, un sensor de llama y un sensor DHT. El módulo de medición de energía se conecta de forma inalámbrica a la Raspberry Pi mediante el protocolo MQTT. Otros sensores están conectados directamente a los pines GPIO de la Raspberry Pi.

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Figura: Diagrama de circuito del distribuidor inteligente

VII. Contador de energía inteligente

El medidor de energía inteligente proporciona monitoreo en tiempo real de voltaje, corriente, potencia, energía, frecuencia y factor de potencia. PZEM-004T-100A se utiliza para la aplicación de medición. Los datos del medidor inteligente se envían a un módulo ESP8266, que está conectado de forma inalámbrica a la Raspberry Pi a través del protocolo MQTT. La Raspberry Pi recibe los datos y los procesa. Los datos procesados ​​se envían a la base de datos Firebase Cloud, que está integrada en una aplicación multiplataforma.

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Figura: Medidor inteligente desarrollado
Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente
Figura: Diagrama de circuito del medidor inteligente

VIII. Enchufe inteligente

El Smart Plug se utiliza para controlar y monitorear dispositivos de forma remota. En caso de interferencias o fluctuaciones climáticas, podemos aislar el dispositivo mediante un enchufe inteligente.

El Smart Plug consta de un módulo de relé, un sensor de corriente, un convertidor de corriente y un módulo NodeMCU. Los datos se envían a la nube de Firebase. Los usuarios pueden controlar y monitorear el enchufe inteligente a través de la aplicación móvil.

Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente
Figura: Diagrama de cableado del enchufe inteligente
Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente
Figura: Enchufe inteligente desarrollado

IX. Aplicación multiplataforma

A) Página de inicio de sesión

Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente

Esta es la primera ventana que podemos ver al iniciar la aplicación. Esta página ayuda al usuario a iniciar sesión en la cuenta de usuario existente mediante la autenticación de Firebase. El usuario puede cambiar la contraseña si la olvida. O si es novato puede crear una cuenta haciendo clic en el botón “Registrarse”.

B) Página de registro

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En esta página, el usuario puede crear una nueva cuenta ingresando su nombre, identificación de correo electrónico y una contraseña segura. Se enviará una OTP al ID de correo electrónico para verificar la autenticidad del usuario. Después de registrar exitosamente la cuenta, el usuario inicia sesión automáticamente.

C) Página de inicio

Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente

Esta es la página de inicio de nuestra aplicación. El consumo de energía se muestra en tiempo real en la parte superior. El interruptor para el enchufe inteligente también está incluido en el suministro. El usuario puede controlar el aparato en cualquier momento a través de la aplicación. El nombre de usuario se muestra debajo de la pantalla de consumo de energía en tiempo real. El usuario puede navegar a varias subsecciones, como Estado de uso, Alertas, Estado de SmartDB e Informe de uso desde el panel inferior.

D) Estado de uso

Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente

El estado de uso proporciona una descripción general de las unidades consumidas, el precio de la electricidad por unidad, las unidades restantes, el pronóstico de carga de energía para los meses actuales, el pronóstico de uso de energía, etc.

E) Advertencias

Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente

En este apartado de la app podemos acceder a las notificaciones/alertas. El usuario recibe una notificación cuando las unidades de sensores montadas en el tablero de distribución inteligente detectan sobretensión o bajo factor de potencia. También se notifica la aparición de fluctuaciones meteorológicas como tormentas, relámpagos, etc. para que puedas reaccionar en consecuencia. Además, se informa al usuario sobre cortes de luz programados, facturas de luz en tiempo real, etc.

F) Estado de SmartDB

Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente

El medidor de energía principal y el medidor de energía secundario se pueden monitorear usando la subsección Estado de SmartDB. Esta función puede monitorear energía, potencia, voltaje, factor de potencia actual y frecuencia del medidor principal. También podemos monitorear la energía y el consumo de energía del submedidor de electricidad conectado al Tablero de Distribución Inteligente.

G) Informe de uso

Enchufe inteligente y tablero de distribución inteligente

X. Estimación de costos

Componentes Costo
Frambuesa Pi 4 Modelo B 5000
MCU de nodo (4 NOS) 1400
Sensor de corriente – ACS712 – 30A (4NOS) 480
Sensor de voltaje – ZMPT101B (4 NOS) 760
Módulo de relé (4 NOS) 260
PZEM-004T Monitor de potencia de medición de energía eléctrica multifunción de CA (2 NOS) 1800
pantalla LCD 2000
Estimación general 12000

XI. Diploma

Nuestro proyecto titulado «Tablero de distribución inteligente» es una modificación significativa de los tableros de distribución tradicionales al agregar otra capa de seguridad. En caso de fallos de funcionamiento como cortocircuitos, fluctuaciones de tensión, sobrecargas, etc., la aplicación avisa al usuario en tiempo real para que pueda reaccionar en consecuencia y evitar pérdidas graves de vidas y bienes. La aplicación alerta a los usuarios sobre condiciones climáticas adversas, como rayos, tormentas eléctricas, etc., que son una de las principales causas de daños a los dispositivos eléctricos. Nuestro proyecto también introduce correcciones automáticas del factor de potencia para evitar grandes multas por parte de los proveedores de electricidad y aumentar la eficiencia. Nuestro producto garantiza que el usuario utilice la energía de forma inteligente proporcionándole datos de consumo en tiempo real y mejorando la calidad de vida.

XII. Alcance futuro

  • El intercambio de datos sobre el consumo de energía se realiza con KSEB, por lo que no quieren venir a cada casa para realizar una medición.
  • Implementación de inteligencia artificial para predicción y análisis.
  • Nuevas funcionalidades como el pago online de facturas de energía directamente desde nuestra aplicación
  • En la pantalla de visualización de compilación en el módulo de estadísticas de datos en tiempo real para el usuario.
  • Función de soporte en línea y sistema de comentarios para que nuestra aplicación brinde una mejor experiencia.

XIII. Referencias

  • K.Mukundan, Pranav Bala, Karthikeyan.S, Ranjith Kumar.S, Nagaraj.R, “Unidad de corrección automática del factor de potencia con Arduino”, Revista internacional de investigación innovadora en ingeniería eléctrica, electrónica, de instrumentación y control, vol. 06, No. 4 de abril de 2018.
  • Sarang Malusare, Moin Kazi, Mohammad Abrar, Shaikh Shahrukh, Manish Mahale “SISTEMA DE DETECCIÓN Y PROTECCIÓN DE CORTOCIRCUITO Y CASA INTELIGENTE BASADO EN IoT”, Revista internacional de investigación de ingeniería y tecnología, vol. 07, N° 7 de julio de 2020.
  • Kanchan D. Sase “Sistema de detección de fallas monofásico basado en Arduino con IoT”, Revista Internacional de Investigación de Ingeniería y Tecnología, vol. 07, No. 3 de marzo de 2020.
  • Jabhile Prudence Ngwenya y Pitshou Bokoro, “Un controlador de caja de distribución inteligente para operaciones basadas en el cliente”, IEEE PES/IAS Power Africa, 2018

Crédito: El trabajo de este proyecto fue completado por Geoji George, Abinshah Ameer, Linson S, Sachin P y FR Rejish Babu de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Tecnológica APJ Abdul Kalam Trivandrum, Kerala, India..

Saber

Los autores desean agradecer al Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Facultad de Ingeniería y Tecnología Mar Baselios de la Universidad Tecnológica APJ Abdul Kalam de Trivandrum por su apoyo. También nos gustaría agradecer al Sr. Rejish Babu por su orientación.

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Write a seo optimized article for a blog. Get inspired by the following content, A final year project on “Smart Plug & Smart Distribution Board” submitted by Geoji George (from A.P.J Abdul Kalam Technological University) to extrudesign.com.

Abstract
There are numerous accidents due to electrical faults or failures occurring every day in the world. Quick response time would help to reduce the casualties and heavy losses from these accidents. So we are proposing a system that would identify or detect any faults in the electrical system and alerts the user in real-time. The system also gives information about the real-time power factor, energy consumption, etc. Proper power factor is an important aspect in an electrical system as it reduces the load on the electrical distribution system, increases energy efficiency, reduces electricity costs and also decreases the likelihood of instability and failure of equipment.

The various sensors like a current sensor, voltage sensor, power sensor will be connected to the distribution  board. The sensors read data and send it to a raspberry pi based server using an esp8266 based microcontroller. The raspberry pi processes this data using some algorithms and sends the results to a cloud platform like firebase which is being integrated with a cross-platform application. There will be a smart plug which can be used to control and monitor individual appliances using the app. The app also alerts about bad weather conditions like thunderstorms, lighting, etc which can cause damage to the electrical appliances so the user can remotely switch off the appliances to protect them.

Keywords: Energy consumption, current sensor, voltage sensor, raspberry pi, smart plug.

I. Introduction
Power is the soul of the world which is relevant to electricity and “ELECTRICITY” is the word that now rules the world. So, proper utilization of this commodity is of immense importance to us. Conventional systems require an individual and agent to physically come and take down the readings and report to the household or office the amount one has to pay. Because of this many complaints are arising against KSEB from consumers due to their huge and improper bill amounts. So, a user-friendly energy consumption monitoring and warning system could help to reduce unwanted energy consumption and reduce disputes regarding electricity bills to an extent.  Power factor detection and correction is an important aspect to be considered as a change in power factor can lead to huge fines from KSEB. Proper power factor increases energy efficiency, reduces electricity costs and also decreases the likelihood of instability and failure of equipment.  There are numerous accidents that are occurring due to the faults in Electrical systems. A proper alerting or warning system is not present currently.
The main theme of the work is to develop a Smart Distribution Board coupled with various sensors and integrated with a cross-platform application that could alert users about faults in the electrical system, gives their real-time energy consumption, gives necessary alerts and warnings etc. and a system to automatically correct the power factor.

A) Problem statement
Most of the equipment in the Industries, as well as domestic platforms, are highly sensitive to electrical faults and it will cost a fortune to replace the equipment. A proper system is required which acts as an additional layer of protection to the equipment by determining whether an electric surge early and gives warning through handheld devices, thus minimizing the risk of catastrophe. Users should be aware of their Energy Consumption in real-time so they will be prompt to use electricity judiciously and this will help to reduce the disputes from consumers against KSEB on huge and improper electricity bill amounts.

B) Energy Consumption Monitoring and Warning System

Traffic Barrier Control – PLC Examp…Please enable JavaScript
With the help of a module (main energy meter) using various sensors, consumers would get real-time data about their energy consumption. It also notifies the consumer if there are any abnormalities in the system
C) Voltage Fluctuation Warning System
The voltage monitoring unit will detect if there is any voltage fluctuation and notifies the user. It can even take actions like disconnecting the appliance from the circuit (or turn of the main mcb) but it’s a strictly optional and scalable feature.
D) Alerting System Based on Harsh Weather Condition
This smart feature is an asset to our project. It notifies the user to take precautions for the harsh weather conditions reported by trustworthy weather forecasting companies like Accuweather etc.

E) Smart plug
Smart Plug is a device that helps us to control the appliance wirelessly through the cross-platform app. We can even monitor the Current, Voltage consumption of the Appliance The smart plug is used to control and monitor appliances remotely. In the event of any faults or weather surges, we can isolate the appliance using smart plug. The smart plug consists of a relay module, current sensor, power converter and a NodeMCU module. The data  is  sent to the firebase cloud. The users can control and monitor the smart plug using the mobile app.

F) Cross-platform application

Cross-platform application “smart_db” is the application that we have developed to help the user track Real-Time Energy Consumption and Control the Appliances efficiently. It helps the consumer aware of Energy usage and bills. The app will alert the user about any weather surges like Thunderstorms, lightning,  etc so they can act accordingly. It also gives users alerts about scheduled power outages, real-time energy bills etc.  The app helps userss with power factor correction. If a lagging power factor is detected, the user will be alerted in real-time so he/she can switch off the power factor reducing appliance remotely using the smart plug.
II. Literature Review
A) IoT Based Smart Home & Short Circuit Protection & Detection System
This paper proposes to use IoT so as to handle home appliances, and automate the home system through the internet and as well as the system also protects the appliances under short circuit conditions. This IoT based Home Automation system aims to control all the devices of your smart home through internet protocols or cloud-based computing. This is done using Node MCU for transferring data over the cloud, an MCB to switch the circuit to protect equipment’s and an LCD panel to visualize updates.
B) A Smart Distribution Box Controller For Customer- Based Operations
In this paper, the design of a smart distribution box controller is proposed in order to assist consumers to control or regulate energy consumption during off-peak and peak times. The designed smart system assigns various loads to different priorities and removes non-priority loads during peak times. It also monitors the voltage, frequency, current and sunlight. Results show 25% reduction of energy consumption and cost savings of up to 40 % are possible with the use of a smart distribution box.

C) Arduino Based Single Phase Fault Detection System Using IoT
This paper deals with a new method of single-phase fault detection and also switching based on Arduino displayed over the internet. Current transformers are used to detect current levels, this output current will be given to 1 to 5 converter units so as to make it readable in terms of voltage. This voltage is fed into adc pin of Arduino which converts it into digital and take appropriate action if any fault condition (sc or oc) occurs. The fault is displayed on the LCD display and on The ACS712 Current Sensors offered on the internet are designed to be easily used with microcontrollers like the Arduino. These sensors are based on the Allegro ACS712ELC chip. These current sensors are offered with full-scale values of 5A, 20A and 30A. The basic functional operation of each of these devices is identical. The only difference is with the scale factor at the output as detailed below. LEDs. Relay driver and relay circuit are used to switch single phase load of city electricity distribution system on another ok phase to provide end-user an uninterrupted power supply. A fault clearing switch is provided to manually tell the system about fault clearing.

D) Automatic Power Factor Correction Unit Using Arduino
This paper provides one of the techniques used to overcome power losses due to low power factors associated with common household and small industrial units. In this paper, AC load voltage and the current were measured by sampling rectified sine waves. For rectification, a precision rectifier was designed and applied using op-amp. The sampling was started when the input wave crosses the horizontal axis in both cases of voltage and current. Moreover, based on this analysis, a corrective algorithm was established to achieve power factors close to unity.
III. Components of Smart Distribution Board & Smart Plug
1. Raspberry Pi

Raspberry Pi is a series of small single-board computers developed in the United Kingdom by the Raspberry Pi Foundation in association with Broadcom. This Raspberry Pi 4 is integrated with a 64-bit quad-core Cortex-  A72 ARM v8, Broadcom BCM2711 and runs at a speed of 1.5GHz The new Raspberry Pi product is equipped with Bluetooth 5.0, BLE, gigabit ethernet and has 802.11ac wireless at 2.4GHz and 5GHz. It provides faster data transfer with two USB 3.0 ports, two  USB  2.0  ports,  micro SD slot for data storage and loading operating systems The Raspberry Pi 4 has 2 micro HDMI ports (supports 4k@60p), 2 lane MIPI DSI display port, 2 lane MIPI CSI camera port and 4-pole stereo audio and composite video port.
2. Node MCU
Node MCU is an open-source firmware for which open-source prototyping board designs are available. The name “NodeMCU” combines “node” and “MCU” (micro-controller unit).[8] The term “NodeMCU”  strictly speaking refers to the firmware rather than the associated development kits. Both the firmware and prototyping board designs are open source. The firmware uses the Lua scripting language. The firmware is based on the eLua project and built on the Espressif Non-OS SDK for ESP8266. It uses many open source projects, such as lua- cjson and SPIFFS.

3. Voltage Sensor
ZMPT101B AC Single Phase voltage sensor module is based on a high precision ZMPT101B voltage Transformer. This is an ideal choice to measure the AC voltage using Arduino/ESP8266/Raspberry Pi like an open-source platform. In many electrical projects, engineers directly deal with measurements with few basic requirements like High galvanic isolation, Wide Range, High accuracy, Good Consistency.

4. Current Sensor
The ACS712 Current Sensors offered on the internet are designed to be easily used with microcontrollers like the Arduino. These sensors are based on the Allegro ACS712ELC chip. These current sensors are offered with full scale values of 5A, 20A and 30A.The basic functional operation of each of these devices is identical. The only difference is with the scale factor at the output as detailed below.

5. Relay Module
Relays are electromechanical devices that use an electromagnet to operate a pair of movable contacts from an open position to a closed position. Here relay switch is used to disconnect load from meter when recharge balance becomes zero.
6. Power Monitor
This PZEM-004T Multi-function AC Power Monitor is very popular in electrical consumption measurement projects. It is capable of measuring four interrelated electrical variables as voltage, current, power, and energy. The unit easily interfaces with Arduino  and  other hardware using the code library.

7. Hi Link Hlk Pm01 5v/3w Switch Power Supply Module
HLK-PM01 5V/3W Switch Power Supply Module is a plastic enclosed PCB mounted isolated switching step-down power supply module. It can supply 5V DC from120V AC – 230V AC and has a power rating of 3 Watt. This makes it perfect for our project that needs a 5 volt supply from mains. There are many advantages for these modules, such as low-temperature rise, low power, high efficiency, high reliability, high-security isolation etc.

8. ESP32
ESP32 is a low-power system on a chip microcontroller with integrated Wi-Fi and dual-mode Bluetooth. The ESP32 series employs a Tensilica Xtensa LX6 microprocessor in both dual-core and single-core variations and includes built-in antenna switches, RF balun, power amplifier, low-noise receive amplifier, filters, and power-management modules] It is a successor to the ESP8266 microcontroller.
9. DHT11
The DHT11 is a Temperature and humidity sensor. The sensor comes with a dedicated NTC to measure temperature and an 8-bit microcontroller to output the values of temperature and humidity as serial data. The sensor is also factory calibrated and hence easy to interface with other microcontrollers.
10. Mq2 Flammable Gas And Smoke Sensor Module
This is a semiconductor gas sensor Module with analogue and digital output. This module uses MQ2 Smoke & Flammable gas sensor as a gas sensing element. It requires no external components just plug in Vcc & ground pins and you are ready to go. For Digital output, the threshold value can be easily set by an onboard potentiometer. Using this module you can easily interface MQ2 Smoke & Combustible gas Sensor to any  Microcontroller, Arduino or even Raspberry Pi. Since this Gas Sensor module is sensitive to smoke it can be used for fire detection. MQ2 Gas Sensor is also sensitive to flammable/combustible gasses like LPG, Propane & Hydrogen.

11. Ky-026 Flame Sensor Module
KY-026 Flame Sensor Module for  Arduino  detects infrared light emitted by fire. The module has both digital and analog outputs and a potentiometer to adjust the sensitivity. Commonly used in fire detection systems. The KY-026 consist of a 5mm infra-red receiver LED, a LM393 dual differential comparator a 3296W trimmer potentiometer, six resistors and two indicator LEDs. The board features an analog and a digital output.

IV. Communication Protocol For Software Implementation
MQTT is a publish-subscribe protocol used to read IoT data. The information is given out in an optimum way. It is extremely lightweight and enhances scalability. As it is a publish/subscribe protocol it gathers data with fewer bandwidths in contrast to other protocols. It allows communication between any two devices. Devices can subscribe to any specific subject. Any client who has subscribed gets the message forwarded by the broker when the message is published by the other client. Monitoring of large quantity of data is possible. It also helps in remote monitoring and is bidirectional.
MQTT dashboard application help in obtaining real-time values and uses MQTT protocol. Numerical values of water quantity parameters like pH and turbidity can be acquired progressively in cell phones. So, the operator does not want to check these values by going to the site of the pumping station. The accurate values will be obtained on his mobile phone so he can check the values whenever needed.
V. Block Diagram
This is the block diagram of the Smart Distribution Box. Here, the Distribution board collects data from the Energy Consumption Monitoring System, Power Factor Detection System, Current Detection System. The collected data are processed inside the Smart Distribution Board unit and transfer these essential data over the cloud base. The cloud base is created using Raspberry pi which helps to access the unit even from a distant place. And these data can be access and control through the cross-platform app, Smart plug is also embedded with the cloud to enable home automation systems. So, the user can monitor and control the unit using the cross-platform app.

Figure: Block Diagram Of The System
VI. Smart Distribution Board
Smart Distribution Board is an IOT based device that gives you the ability to have real-time electrical audits that are reported to the cloud using Raspberry Pi.
Various sensors and microcontrollers are employed in the distribution board for real-time monitoring and processing. Between Isolator and ELCB our smart energy meter is deployed for monitoring real-time energy consumption, power, voltage, current, frequency and power factor. After the ELCB lies the MCB’s to each sub-circuits. The output phase line from the MCB is fed to current sensors to monitor real-time current.

There will be a smoke sensor, flame sensor, DHT sensor for additional protection of the Distribution Board. The Energy Metering Module is connected to Raspberry Pi wirelessly through MQTT Protocol. Other sensors are directly connected to the GPIO pins of the Raspberry Pi.Figure: circuit diagram of smart distribution board
VII. Smart Energy Meter
The Smart Energy Meter provides real-time monitoring of Voltage, Current, Power, Energy, Frequency,  Power Factor. PZEM-004T-100A is used for the metering application. The data from the smart meter is fed to an ESP8266 module which is wirelessly connected to Raspberry Pi using MQTT Protocol. The Raspberry Pi receives the data and processes the data. The processed data is sent to Firebase Cloud Database which is being integrated into a cross-platform application.Figure: Developed Smart MeterFigure: Smart Meter Circuit Diagram
VIII. Smart Plug
The smart plug is used to control and monitor appliances remotely. In the event of any faults or weather surges, we can isolate the appliance using a smart plug.

The smart plug consists of a relay module, current sensor, power converter and a NodeMCU module.  The data is sent to the firebase cloud. The users can control and monitor the smart plug using the mobile app.Figure: Smart Plug Circuit DiagramFigure: Developed Smart Plug
IX. Cross-Platform Application
A) Login Page

This is the first window we can see when launching the application. This page helps the user to log in to the existing user account using Firebase Authentication. The user can change the password if he forgets.  Or else if he is a noob, he can Create an Account by pressing the Register button.

B) Registration Page

This page helps the user to create a new account by entering his Name, Email ID and a Secure Password. An OTP will be sent to the Email ID in order to verify the authenticity of the user. The User will automatically log in after successfully registering the account.
C) Home Page

This is the Home Page of our app. Real-time power usage is displayed on the top. Also provided the switches for Smart Plug. The user can control the Appliance anytime using the app. The user name is displayed below the Real-time power usage meter. The user can navigate to various Sub Sections like Usage Status, Alerts, SmartDB Status and Usage Report respectively through the bottom panel.
D) Usage Status

The Usage Status gives an overview about the Consumed Units, Current per unit rate, Units left, Energy charge prediction current months, Energy usage prediction etc.

E) Alerts

We can access the notifications/alerts from this section of the app. The user will be notified if there is any Over Voltage or Low Power Factor detected by the sensor units mounted in the Smart Distribution Board. Chances of occurring any weather surges  like  Thunderstorm, lightning, etc will also be notified so they can act accordingly. It also gives user alert about scheduled power outages, real-time energy bill etc
F) SmartDB Status

The Main Energy Meter and the Sub  Circuit Meter can be monitored using the SmartDB Status subsection. Energy, Power, Voltage, Current Power Factor, Frequency of the Main Meter can be monitored using this feature. We can also monitor the Energy and Power usage of the Sub Circuit Meter that is connected with the  Smart Distribution Board.

G) Usage Report

X. Estimate Cost
ComponentsCostRaspberry Pi 4 Model B5000Node MCU (4 NOS)1400Current Sensor- ACS712 – 30A (4 NOS)480Voltage                    Sensor- ZMPT101B (4 NOS)760Relay Module (4 NOS)260PZEM-004T   AC   Multi- function Electric Energy Metering   Power  Monitor (2 NOS)1800LCD Display2000Total Estimate12000
XI. Conclusion
Our project titled “Smart Distribution Board” is a major modification of the conventional distribution boards by adding another layer of security and safety. The user will be alerted in real-time using the app if there are any faults like a short circuit, voltage fluctuations, overload, etc so the user can act accordingly and prevent heavy losses to life and properties. The app alerts users in the event of harsh weather conditions like lighting, thunderstorm, etc which is one of the major causes of damaging electrical appliances. Our project also introduces automatic power factor corrections to prevent huge fines from electricity boards and to increase efficiency. Our product makes the user use energy judiciously by providing real-time consumption data to the user and increases the quality of life.
XII. Future Scope
Energy usage data sharing with KSEB, so they don’t want to come every home to take a reading.Implementing artificial intelligence for prediction and analysis.New features like online energy bill payment directly through our applicationIn build display screen on the module for real-time data statistics for the user.Online support feature and feedback system for our app to provide a better experience.
XIII. References
K.Mukundan, Pranav Bala, Karthikeyan.S, Ranjith Kumar.S, Nagaraj.R,”Automatic Power Factor Correction Unit using Arduino”,International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, vol. 06, no. 04, April 2018.Sarang Malusare, Moin Kazi, Mohammad Abrar, Shaikh Shahrukh, Manish Mahale “IoT BASED SMART HOUSE & SHORT CIRCUIT PROTECTION & DETECTION SYSTEM” , International Research Journal of Engineering and Technology, vol. 07, no. 07,  July 2020.Kanchan D. Sase “Arduino based single phase fault detection system using iot”, International Research Journal of Engineering and Technology, vol. 07, no. 03, March 2020.Jabhile Prudence Ngwenya and Pitshou Bokoro,”A smart distribution box controller for customer- based operations”,IEEE PES/IAS Power Africa, 2018
Credit: This project work completed by Geoji George, Abinshah Ameer, Linson S, Sachin P and F.R. Rejish Babu from Electrical and Electronics Engineering, A.P.J Abdul Kalam Technological University Trivandrum, Kerala, India.
Acknowledgement

The authors would like to acknowledge the support from the Department of Electrical and Electronic Engineering, Mar Baselios College of Engineering And Technology, A.P.J Abdul Kalam Technological University, Trivandrum. We would also like to acknowledge Mr Rejish Babu for their guidance.
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