Raspberry Piでソーラー蓄電システムの遠隔監視やってみた

2019年10月17日2020年1月31日Arduino,DIY,HTML・CSS,IT関連,JavaScript,Raspberry Pi,オフグリッドソーラー発電,ガジェット,電子工作Raspberry Pi Zero WH,遠隔監視

実家に次いで一人暮らしのアパートでもオフグリッドソーラー発電を始めました。

実家に帰った時にも状況を把握したいので、バッテリー電圧や温湿度をRaspberry Piで遠隔監視するシステムを構築することに。

Raspberry Pi Zero WH Official Simple Kit

created by Rinker

Raspberry Pi Shop by KSY

Contents

1. 使用したもの
2. 仕様
3. 組み上げ
4. ブラウザから動作確認
5. 課題

使用したもの

仕様

処理の流れ

Arduinoで温湿度センサーと分圧抵抗による電圧測定回路を作成し、その測定値をUSB接続でシリアルポート転送
Raspbery PiでWi-Fi接続し、Webサーバーを立ちあげて、Arduinoから取得した測定値を表示。

Arduinoの内部処理

温湿度センサー DHT22/AM2302とアナログ入力値を電圧に変換したものをLCDとシリアルポートへ転送しています。

oled.ino

#include <DHT.h>
#include <DHT_U.h>

#include <SPI.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels

// Declaration for SSD1306 display connected using software SPI (default case):
#define OLED_MOSI   9
#define OLED_CLK   10
#define OLED_DC    11
#define OLED_CS    12
#define OLED_RESET 13
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT,
  OLED_MOSI, OLED_CLK, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);

const int PIN_DHT = 2;
DHT dht(PIN_DHT,DHT22);

void setup() {
  dht.begin();
  Serial.begin(9600);
  pinMode(A0,INPUT);
  if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC)) {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for(;;); // Don't proceed, loop forever
  }
}

void loop() {
  display.clearDisplay();
  dht.readHumidity();
  dht.readTemperature();
  delay(125);
  float humidity = dht.readHumidity();
  float temperature = dht.readTemperature();
  double original = analogRead(A0);
  double volt = original;
  // Ankerのシガーソケット Pi Zero
  volt *= 0.0279347826086957;
  display.setTextSize(2);      // Normal 1:1 pixel scale
  display.setTextColor(WHITE); // Draw white text
  display.setCursor(0, 0);     // Start at top-left corner
  display.cp437(true);         // Use full 256 char 'Code Page 437' font
  display.print(humidity);
  display.println("%");
  display.print(temperature);
  display.println("C");
  display.print(volt);
  display.println("V");
  display.print(original);
  display.display();
  if(Serial.available() > 0){
    if(Serial.read() == '1'){
      Serial.print("{\"humidity\":");
      Serial.print(humidity);
      Serial.print(",\"temperature\":");
      Serial.print(temperature);
      Serial.print(",\"volt\":");
      Serial.print(volt);
      Serial.print(",\"original\":");
      Serial.print(original);
      Serial.println("}");
    }
  }
}

Raspberry Piの内部処理

Arduinoからの値の取得にはPythonを使用しています。取得した値はファイル(sensor.json)へ保存。

/home/pi/get.py

import serial
import time
s = serial.Serial("/dev/ttyUSB0",9600,timeout=1)

while 1:
	s.write("1")
	time.sleep(0.5)
	f = open("/var/www/html/sensor.json",mode="w")
	str = s.readline()
	print str
	f.write(str)
	f.close()

Pythonの実行はcronで行っていて、OS起動時に一回だけ呼び出し、後はPython内で無限ループし続けます。

/var/spool/cron/crontabs/root

@reboot python /home/pi/get.py

Webブラウザへの表示はHTML/CSS+JQuery(JavaScript)。sensor.jsonの値をブラウザへ出力します。

/var/www/html/status.html

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
	<meta charset="UTF-8">
	<title>温湿度/バッテリー電圧監視</title>
	<style>
	* {
		border:0;
		margin:0;
	}
	#battery {
		width: 128px;
		height: 52px;
		position: relative;
	}
	#hasi {
		position: absolute;
		margin-top: 15px;
		width: 8px;
		height: 20px;
		background-color:#555555;
	}
	#border {
		position: absolute;
		border:5px solid #555555;
		width: 110px;
		left: 8px;
		height: 45px;
	}
	#battery_available {
		position:absolute;
		background-color:#00FF00;
		top:8px;
		right:8px;
		width:104px;
		height:40px;
	}
	</style>
	<script src="https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js"></script>
	<script>
		var max = 12.8;
		var min = 12.0;
		function getStatus(){
		    $.getJSON("./sensor.json",function(data){
		        $(".temperature").text(data.temperature);
		        $(".humidity").text(data.humidity);
		        $(".volt").text(data.volt);
			if(data.volt > max){
				data.volt = max;
			}
			var available = (data.volt - min) / (max - min) * 104;
			$("#battery_available").css("width",available + "px");
		        $(".original").text(data.original);
		    });
		}
		$(function(){
			setInterval(getStatus,500);
		});
	</script>
</head>
<body>
<h1>温湿度/バッテリー電圧監視</h1>
<h2>気温：<span class="temperature"></span> ℃</h2>
<h2>湿度：<span class="humidity"></span> %</h2>
<h2>電圧：<span class="volt"></span> V</h2>
<div id="battery">
	<div id="hasi"></div>
	<div id="border"></div>
	<div id="battery_available"></div>
</div>
<h2>Original：<span class="original"></span></h2>
</body>
</html>

組み上げ

一通り配線、プログラム調整が終わり準備ができました。

LCDには温湿度とバッテリー電圧、電圧のアナログ入力値が表示されます。

チャージコントローラーのUSB出力端子に接続し電源を確保。

Raspberry PiからArduinoへ電源供給します。

電源供給とともにOSが起動します。

蓋をしてビニールシートで覆ったので動作確認。

ブラウザから動作確認

WebブラウザからRaspberry Piのアドレスを指定すると、上手く動作してくれました。

課題

動作時の消費電力は130mAh程。このシステムのバッテリーの型番は「40B19L」なので28Ahです。

充電しない状態で半分の14Ah使用を想定した場合、107時間(4.48日)となります。

雲行きの怪しい日が5日以上続くと、監視システムだけで半分以上のバッテリーを消費してしまいます。

バッテリーを増やしたり、監視システムそのものの消費電力を減らす等で対応していきたい。

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