Умный энергомониторинг с ESP и SCT013

Что вы получите в этом руководстве

• Полный список деталей и краткие рекомендации по их подбору.
• Пошаговая настройка ESPHome и прошивки для NodeMCU, D1 Mini или ESP32.
• Схема подключения SCT013, объяснение компонентов (конденсатор, делитель, нагрузочный резистор).
• Метод калибровки с расчётом коэффициентов и примером YAML-фильтра для ESPHome.
• Интеграция в Home Assistant и настройка Energy Dashboard.
• Контроль безопасности, чеклисты ролей, тесты приёмки и рекомендации по обслуживанию.

Какие компоненты нужны

• Микроконтроллер NodeMCU (ESP8266), D1 Mini или ESP32. В статье использован NodeMCU (ESP8266).
• SCT013 — неинвазивный токовый трансформатор (варианты: 5A/10A/15A/20A/30A/50A/100A, в примере — 30A 1V).
• Micro‑USB кабель для питания и прошивки.
• Универсальная монтажная плата (PCB/бредборд) или маленькая печатная плата.
• Электролитический конденсатор 10 µF, 16 V.
• Два резистора 10 kΩ (1/4 W) — для делителя уровня/смещения ADC.
• Резистор 33 Ω (1/4 W) — как нагрузочный / шунт в интерфейсной плате SCT013 (в зависимости от версии датчика).

Important: Работа с переменным сетевым напряжением (AC) опасна. Если вы не уверены в своих навыках — прекратите и обратитесь к квалифицированному электрику.

Краткая проверочная матрица (фактбокс)

• Тип датчика: SCT013 (токовый трансформатор, неинвазивный).
• Выход SCT013: 1 V при номинальном токе (зависит от модели).
• Базовая формула: Мощность (W) = Ток (A) × Напряжение (V).
• Типичная сеть: 230 V (Европа) или 110/120 V (США). Учитывайте это при расчётах мощности.

Пошаговая инструкция

Шаг 1: Установка и подготовка Home Assistant

Если у вас ещё не установлен Home Assistant (HA), разверните его на Raspberry Pi или другом устройстве. Raspberry Pi 3/4 — энергоэффективный вариант. Можно использовать старый ноутбук, но он потребляет больше энергии.

Короткая последовательность:

1. Установите Home Assistant OS или Home Assistant Supervised на ваше устройство по официальной документации.
2. Перейдите в Configuration → Add‑ons, Backups & Supervisor и откройте магазин дополнительных модулей (Add‑On Store).
3. Установите ESPHome (Home Assistant Community Add‑Ons).

Шаг 2: Установка ESPHome в Home Assistant и создание проекта

ESPHome позволяет генерировать и прошивать кастомную прошивку для ESP‑микроконтроллеров.

1. В Add‑On Store найдите ESPHome и установите его.
2. После установки нажмите Start, включите Watchdog, Auto‑update и Show in the sidebar, затем Open Web UI для запуска панели ESPHome Dashboard.

3. Нажмите +New Device → Continue.
4. Введите имя конфигурации, например smart-power-meter, и нажмите Next.
5. Выберите MCU: ESP32 для плат ESP32; ESP8266 если у вас NodeMCU или D1 Mini. Нажмите Next и Skip (если хотите редактировать YAML вручную).

6. Найдите ваш проект в списке и нажмите Edit, чтобы открыть smart-power-meter.yaml.

Вставьте вашу базовую конфигурацию: укажите SSID/пароль Wi‑Fi, имя хоста, и добавьте сенсор для ADC. В конфигурации обычно добавляют lambda‑функцию для подсчёта мощности, умножая измеренный ток на стандартное напряжение (230 V или 110/120 V).

Важно: измените Wi‑Fi‑учётные данные и, если вы живёте в регионе с 110/120 V, замените 230 на 110 или 120 в любом месте, где используется номинальное напряжение.

7. Сохраните (Save) и нажмите Install → Plug into this computer для локальной компиляции и скачивания .bin файла.

После компиляции скачайте бинарник (.bin).

8. Подключите плату NodeMCU/ESP32/D1 Mini к компьютеру через Micro‑USB.

9. Используйте ESPHome‑Flasher (доступен для Windows/macOS/Linux): выберите COM‑порт, укажите .bin и нажмите Flash ESP.

После успешной прошивки устройство подключится к Wi‑Fi и появится в ESPHome Dashboard как online.

Шаг 3: Подключение датчика SCT013 к плате ESP

SCT013 — это трансформатор тока: он не контактирует с фазой напрямую и надевается на провод. Вы можете купить готовый интерфейсный модуль для SCT013 (с гнездом 3.5 мм) или собрать простой адаптер самостоятельно.

Ключевые моменты схемы:

• SCT013 генерирует переменное напряжение (AC) пропорционально току в проводнике. ADC ESP работает с напряжением 0–1 V (в случае NodeMCU/ADC ESP8266) или 0–3.3 V (ESP32), поэтому нужен интерфейс с делителем и смещением.
• Часто ставят нагрузочный резистор (например, 33 Ω) внутри интерфейса SCT013, он формирует выходное напряжение. Если у вашего SCT013 нет встроенного резистора, добавьте внешний шунт по спецификации.
• Для стабильного измерения ADC требуется смещение сигнала (смещение по среднему, Vcc/2) — используют два резистора 10 kΩ как делитель и конденсатор 10 µF для сглаживания смещения.

Схема подключения (словами): выход SCT013 → нагрузочный резистор (если требуется) → к входу ADC через цепочку смещения (делитель 10 kΩ + конденсатор 10 µF на Vcc/2), общий провод на землю платы.

Практическое замечание: у ESP8266 ADC вход принимает до 1 V; для ESP32 безопасный диапазон выше (0–3.3 V). Убедитесь, что выход SCT013 через шунт не превышает входное напряжение MCU.

После подключения подайте питание на плату от 5V USB‑адаптера (любой смартфонный зарядник с 5V подойдет).

Шаг 4: Калибровка SCT013 и перевод показаний в реальные значения

Правильная калибровка критична: датчик даёт относительную величину, которую нужно перевести в реальные амперы (A) и затем в ватты (W).

1. Наденьте SCT013 на фазный провод (обычно красный) между счётчиком и распределительным щитком.

2. В панели ESPHome откройте Logs для устройства smart-power-meter и наблюдайте строку «Measured Current: Sending state x.xxxx A with …» — это значение, выдаваемое вашим сенсором при текущей нагрузке.

3. Зафиксируйте не менее 10 последовательных измерений при стабильной нагрузке (например, все бытовые приборы выключены или включён ровный небольшой потребитель) и возьмите среднее арифметическое.

4. Сравните это среднее со «реальной» текущей нагрузкой, снятой с электросчётчика или мультиметра, и вычислите коэффициент калибровки.

Пример из статьи: среднее показание SCT013 = 0.00807 (например, условная единица из лога), а реальный ток по счётчику = 1.2228 A. Тогда масштабный коэффициент K = 1.2228 / 0.00807 ≈ 151.45. Далее множьте показания SCT013 на K, чтобы получить амперы.

Формула для мощности: P (W) = I (A) × V (V), где V — номинальное напряжение сети (например, 230 V). Учтите, что этот простой метод не учитывает коэффициент мощности (cos φ) и фазовые сдвиги; для базового мониторинга дома точность обычно достаточна.

Добавьте в smart-power-meter.yaml секцию sensor с фильтром calibrate_linear, например:

        filters:
          - calibrate_linear:
            - 0 -> 0
            - 0.00807 -> 1.2228

Важно: подставьте в примере свои значения: левый столбец — показание RAW (среднее из логов), правый — реальная сила тока, измеренная мультиметром или по счётчику.

Alternate calibration method (если нет доступа к счётчику):

• Возьмите удлинитель, аккуратно снимите изоляцию с внешней оплётки и оголите внутренние провода, не повреждая жилы.
• Оберните SCT013 вокруг фазного провода и включите известную нагрузку (микроволновка, электронагреватель) с известной потребляемой мощностью.
• Измерьте ток мультиметром в разрыве или вычислите его по мощности прибора, затем протранслируйте в коэффициент.

После правки YAML сохраните и установите прошивку по воздуху (OTA), если устройство уже онлайн.

При успешной прошивке вы увидите корректные текущие значения в логах и в Home Assistant.

Совет по точности: для высокой точности калибруйте при разных уровнях нагрузки (низкая, средняя, высокая) и проверьте линейность преобразования. При необходимости используйте полиномиальную аппроксимацию или несколько точек calibrate_linear.

Шаг 5: Добавление сенсора в Home Assistant и настройка Energy Dashboard

1. В Home Assistant перейдите Configuration → Devices & Services → Add Integration.

2. Найдите ESPHome и введите IP‑адрес устройства (его можно увидеть в логах ESPHome). Нажмите Submit.

3. Выберите зону/помещение и завершите добавление.

4. Откройте устройство smart-power-meter → 1 device → Add to Lovelace — добавьте нужные сущности (entities) на панель.

5. Для визуализации тока и мощности используйте gauge, графики и мини‑графы (мини-graph card). Energy Dashboard Home Assistant агрегирует значения для расчёта суточного/месячного/годового потребления.

Шаг 6: Отслеживание дневного/месячного/годового потребления

Energy Dashboard появился в Home Assistant начиная с релиза 2021.8 и предоставляет удобную страницу с суммированием потребления по интервалам времени. После добавления сенсора следуйте официальной инструкции HA по настройке источников энергии и устройствам учёта.

Дополнительные сценарии и расширения

• Отдельные SCT013 или PZEM‑004T можно установить на конкретные приборы (бойлер, насос, кондиционер), чтобы видеть энергопотребление по устройствам.
• На основе событий (порог мощности) можно запускать автоматизации в HA: уведомления, голосовые оповещения (Alexa/Google Assistant), отключение реле и т.п.

Когда этот способ не подойдёт (ограничения и контрпримеры)

• SCT013 не даёт прямого измерения напряжения и коэффициента мощности; для полных электрических измерений лучше использовать PZEM‑004T или специализированные измерители энергии с измерением U, I, P, PF.
• Если требуется крошечная погрешность и сертифицированные измерения (для коммерческого учёта), данное DIY‑решение не подходит.

Практическая методика калибровки (мини‑методология)

1. Соберите 10–20 стабильных измерений RAW при известной нагрузке.
2. Измерьте реальный ток мультиметром или возьмите значение со счётчика.
3. Постройте соответствие RAW → реальный ток: используйте calibrate_linear с 2–5 точками для лучшей линейности.
4. Проверьте на нескольких нагрузках (малой/средней/большой).
5. Загрузите исправленную прошивку и проверьте лог через ESPHome.

Шаблон проверки приёмки (Критерии приёмки)

• Устройство отображается как Online в ESPHome Dashboard.
• Логи показывают «Measured Current» с изменяющимися значениями при включении/выключении нагрузки.
• Значения тока в Home Assistant сопоставимы с мультиметром/счётчиком (логически совпадают при изменении нагрузки).
• Energy Dashboard аккумулирует данные и показывает ожидаемые тенденции (рост при включении аппаратов).

Ролевые чеклисты

Чеклист для монтажника/инженера:

• Убедиться, что питание отключено перед работой в щитке.
• Правильно установить SCT013 на фазный провод (не на ноль и не на обе жилы одновременно).
• Правильно реализовать смещение ADC и подключить землю.
• Проверить целостность изоляции и безопасное соединение всех проводов.

Чеклист для владельца дома:

• Проверить, что устройство онлайн в Home Assistant.
• Сверить начальные показания с мультиметром.
• Настроить уведомления при превышении порогов потребления.

Сравнение SCT013 и PZEM‑004T (краткая матрица)

• SCT013: неинвазивный, прост в установке, требует интерфейса и калибровки, даёт ток (требует оценки напряжения для расчёта мощности).
• PZEM‑004T: модуль для прямых измерений U/I/P/PF/Wh, чаще требует прямого подключения и более сложной проводки, даёт более полную картину энергии.

Выбор зависит от задачи: быстрый мониторинг нескольких цепей — SCT013; если нужен полный профиль параметров сети — PZEM‑004T.

Отладка и распространённые проблемы

Проблема: устройство не появляется в сети после прошивки

• Проверить правильность SSID/пароля в YAML.
• Убедиться, что ESP подключён к нужной сети (2.4 GHz для ESP8266/ESP32).

Проблема: показания не меняются

• Проверьте правильность установки SCT013 на фазном проводе.
• Убедитесь, что смещение ADC выполнено корректно (Vref/2) и конденсатор установлен.
• Соберите несколько логов и проверьте наличие шума.

Проблема: показания значительно отличаются от мультиметра

• Перекалибруйте с использованием нескольких точек.
• Проверьте наличие встроенного шунта в SCT013; если его нет, добавьте внешний нагрузочный резистор по спецификации датчика.

Тестовые сценарии (Test cases)

1. Базовый тест онлайн: устройство должно подключиться к ESPHome и показать статус Online.
2. Нулевая нагрузка: при выключенных приборах показания должны быть близки к нулю с небольшими флуктуациями.
3. Изменение нагрузки: при включении известного прибора (например, чайника) показания должны резко увеличиться.
4. Корректность калибровки: после калибровки значения SCT013 должны совпадать с мультиметром в пределах логической схожести (сходящаяся динамика и порядок величин).

Безопасность и конфиденциальность

• Все измерения можно хранить локально в Home Assistant без отправки в облако — это повышает приватность.
• При проведении работ в щитке используйте защитные средства и следуйте местным требованиям по электробезопасности.

Глоссарий (одно предложение)

• SCT013: неинвазивный токовый трансформатор для измерения переменного тока.
• ESPHome: платформа для генерации прошивок для ESP‑контроллеров с интеграцией в Home Assistant.
• ADC: аналогово‑цифровой преобразователь — вход микроконтроллера для измерения напряжения.
• RMS: среднеквадратическое значение переменного тока, используемое для расчёта реального тока.

Мерфлоу для принятия решения при выборе датчика

flowchart TD
  A[Нужен мониторинг энергии?] --> B{Требуется измерение напряжения и PF?}
  B -- Да --> C[PZEM-004T или сертифицированный измеритель]
  B -- Нет --> D{Нужна простая неинвазивная установка?}
  D -- Да --> E[SCT013 + ESPHome]
  D -- Нет --> F[Рассмотреть смарт-щёткодержатели или коммерческие счётчики]

Короткое объявление (для социальных сетей, 100–200 слов)

Соберите собственный умный энергомонитор на базе ESP8266/ESP32 и неинвазивного датчика SCT013 — быстро и локально. Мы объясняем, как прошить микроконтроллер через ESPHome, подключить датчик, откалибровать показания и интегрировать всё в Energy Dashboard Home Assistant. Руководство включает безопасность, методику калибровки, чеклисты для монтажника и владельца, а также сценарии тестирования и устранения проблем. Подходит для контроля потребления дома и создания автоматизаций по превышению порогов.

Рекомендации по обслуживанию

• Проверяйте калибровку раз в 6–12 месяцев или после изменения электропроводки.
• Обновляйте ESPHome и Home Assistant для получения последних исправлений безопасности и функций.

Краткое резюме

• SCT013 + ESPHome — простой путь запустить локальный энергомониторинг.
• Калибровка — ключ к полезным и сопоставимым показаниям.
• Для коммерческого учёта и высокой точности выбирайте специализированные модули.

Notes: Помните о безопасности при работе с электроэнергией — при сомнениях привлеките электрика.