Sistema de monitoramento de consumo de energia feito com smart plugs, Prometheus e Grafana

 (ounapuu.ee)
3 pontos por GN⁺ 2024-05-06 | 1 comentários | Compartilhar no WhatsApp
  • Ao conectar o Tasmota dos smart plugs EU style plug V3 da athom.tech ao Prometheus e ao Grafana de um homeserver existente, foi possível visualizar o consumo de energia de longo prazo de eletrodomésticos e equipamentos de computação
  • A arquitetura executa um tasmota-power-exporter para cada plug, com o Prometheus fazendo scrape a cada 1 segundo; no Grafana, é preciso ajustar o min step para 1 segundo para ver gráficos mais detalhados
  • Em cerca de 4 meses de medições, o aquecedor elétrico de água consumiu em média 4,51 kWh/dia, a mesa inteira do home office consumiu em média 0,95 kWh/dia, e o Zimaboard ficou em cerca de 7 W em uso normal, abaixo do modem/roteador do ISP
  • Os gráficos de tensão também revelaram horários de pico de demanda e o funcionamento de aparelhos de alta potência; quando o aquecedor de água, a chaleira elétrica, o fogão elétrico ou o micro-ondas eram ligados, a tensão de todos os plugs caía levemente
  • A solução é útil para medições de longo prazo, mas alguns plugs não enviavam estatísticas a tempo ou desapareciam da rede, exigindo reinicialização de energia; controle automático baseado na tarifa de eletricidade ficou como candidato para um próximo experimento

Observando o consumo de energia de longo prazo com smart plugs

  • O objetivo era acompanhar visualmente, por longos períodos, o consumo de energia de equipamentos como homeserver, roteador, workstation e aquecedor elétrico de água
  • O medidor digital simples usado anteriormente era suficiente para verificar leituras instantâneas, mas tinha limitações para entender como um dispositivo consome energia ao longo de muito tempo
  • O produto usado foi uma variante EU style plug V3 da athom.tech, e a entrega na UE levou 9 dias, incluindo o Natal
  • Os plugs vêm com Tasmota pré-instalado e, seguindo as instruções incluídas, podem ser conectados ao Wi-Fi e administrados pelo navegador
  • A atualização de firmware pode ser feita pela GUI web até a versão mais recente com poucos cliques

Arquitetura de coleta com Prometheus e Grafana

  • Os dados dos medidores de energia são coletados em uma instância do Prometheus que já existia no homeserver
  • O Prometheus é usado como uma ferramenta que lê métricas periodicamente de várias fontes, armazena-as em disco e permite consultá-las e manipulá-las posteriormente
  • No servidor, é executado um tasmota-power-exporter para cada plug
    • O Prometheus faz scrape de cada exporter uma vez por segundo
    • Também seria possível fazer o próprio plug exportar métricas, mas a abordagem de compilar diretamente o firmware do Tasmota não foi escolhida
  • Para visualização, a instância existente do Grafana foi reutilizada
    • Para obter os pontos de dados mais detalhados nos gráficos, é preciso mudar o valor de min step para 1 segundo

Consumo de energia observado ao longo de cerca de 4 meses

  • Aquecedor elétrico de água

    • O aquecedor elétrico de água de 30 L foi o equipamento que mais consumiu energia entre os medidos
    • É um aquecedor suficiente para um ou dois banhos rápidos ou para lavar uma grande quantidade de louça
    • As medições foram as seguintes
      • Consumo típico de energia: 4,51 kWh/dia
      • Mínimo observado: 0,56 kWh/dia, geralmente quando não havia ninguém em casa
      • Máximo observado: 11,1 kWh/dia, em um dia com muita roupa lavada e muitos banhos

  • Homeserver e equipamentos de rede

    • As cargas de trabalho do homeserver rodam em um Zimaboard, e o baixo consumo de energia foi um motivo importante para a escolha
    • O consumo de energia do Zimaboard é o seguinte
      • Ocioso: cerca de 2 W
      • Uso normal com todos os serviços em execução: cerca de 7 W
      • Consumo máximo de energia: cerca de 15 W
    • A caixa de modem/roteador fornecida pelo ISP consome sempre 12–14 W, independentemente de estar em modo roteador ou modo bridge, usando mais energia que o Zimaboard
    • Ao adicionar uma workload sensível à latência, o homeserver foi temporariamente levado de volta para um ASRock Deskmini X300
    • O consumo em idle do Deskmini é ruim em comparação com o Zimaboard, ficando na faixa de 15–20 W
    • O Deskmini parecia não expor estados de baixa energia da CPU abaixo de C3, enquanto o Zimaboard expõe C-states até C10
    • Não foi encontrado um modo de expor C-states mais baixos nas configurações de UEFI ou no kernel Linux
    • Ao adicionar um painel de consumo de energia do servidor à visão do Grafana do Prometheus node exporter, o aumento da atividade da CPU também fica claramente visível no gráfico de consumo de energia

Variações de tensão e padrões de energia ao redor da mesa

  • Variações de tensão

    • Os plugs Tasmota também reportam o valor de tensão atual
    • O gráfico de tensão tinha padrões que pareciam sazonalidade, e a tensão caía de forma geral nos horários típicos de pico de consumo de energia
    • Esse tipo de forma pode ser candidato a experimentos de detecção de anomalias baseada em Prometheus, tendo como referência o artigo do GitLab sobre detecção de anomalias usando Prometheus
    • A queda de tensão também ocorre quando aparelhos que consomem muita energia, como aquecedor de água, chaleira elétrica, fogão elétrico e micro-ondas, estão em funcionamento
    • O aquecedor de água reduz levemente a tensão em todos os plugs
    • Ao cozinhar no fogão elétrico, o ciclo de ligar e desligar também aparece nas leituras de tensão de todos os plugs

  • Workstation do home office

    • Um dos plugs mede em conjunto os monitores, o dock USB-C, a lightbar do monitor e os dispositivos carregados sobre a mesa do home office
    • O consumo de energia varia muito conforme o horário de trabalho remoto e se vários dispositivos estão sendo carregados ou não
    • Durante o uso do computador, o consumo típico de energia de toda a configuração fica em 45–60 W, com picos perto de 90–110 W
    • O consumo diário medido foi o seguinte
      • Consumo típico de energia: 0,95 kWh/dia
      • Mínimo observado: 0,07 kWh/dia
      • Máximo observado: 1,52 kWh/dia

  • Padrões de carregamento

    • Os smart plugs também são úteis para observar os padrões de carregamento de vários dispositivos
    • Laptops ou power banks carregam rápido no início, depois a velocidade cai conforme a bateria enche e, a partir de certo ponto até a carga completa, aparece um trecho que parece carregamento lento de manutenção
    • A bateria da bicicleta elétrica foi uma exceção: o consumo de energia durante o carregamento aumentou aos poucos e depois caiu mais rapidamente no final da carga
    • A bicicleta elétrica consumiu 0,5 kWh para 60 km de autonomia no preset Turbo, com o custo por km calculado em meio centavo

Problemas de estabilidade e próximos experimentos

  • A estabilidade dos smart plugs foi em geral boa, mas alguns plugs frequentemente não reportavam estatísticas a tempo
    • A causa pode ter sido um problema no ponto de acesso Wi-Fi
    • Dois plugs desapareceram completamente da rede e não voltaram, exigindo algumas reinicializações completas de energia
  • Os plugs podem ligar e desligar dispositivos por meio de várias APIs, incluindo HTTP
  • No futuro, será possível tentar usar o Home Assistant ou scripts simples para ligar e desligar determinados dispositivos conforme a tarifa de eletricidade atual
  • Pelo que foi pesquisado, existe uma integração nordpool para o Home Assistant
  • A configuração como um todo permite medições confiáveis de energia de vários equipamentos de computação, ajudando a avaliar a eficiência energética dos dispositivos usados no futuro sem precisar fazer suposições

Leituras relacionadas

1 comentários

 
GN⁺ 2024-05-06
Opiniões no Hacker News

  • Comprei um disjuntor de energia Zigbee e liguei de modo que toda a eletricidade da casa passasse por ele; também fiz um display de tinta eletrônica que mostra o consumo de energia
    https://www.stavros.io/posts/making-the-timeframe/

    • Na Holanda, todos os medidores inteligentes instalados pelas operadoras da rede elétrica precisam dar suporte ao padrão P1, então os clientes conseguem ler, por uma interface padrão, o consumo de corrente atual, o consumo acumulado de energia etc. Normalmente o medidor de gás também fica conectado junto
      Ao conectar um dongle barato, dá para ver estatísticas no app; por exemplo, uso este: https://www.homewizard.com/nl/shop/wi-fi-p1-meter/
      Esse medidor também oferece uma API na rede local. Fiz um pequeno driver para o SmartThings Hub, para também conseguir ver estatísticas e gráficos no app SmartThings, e uso o hub SmartThings para dispositivos Zigbee/Z-Wave: https://github.com/danieldk/homewizard-energy
    • Parece que o link do AliExpress para o display quebrou. Como costuma acontecer
      O alvo natural de integração parece ser o Home Assistant. Não sei se já existe uma integração pronta para uso no Home Assistant para o disjuntor Earu, além de ler valores via Zigbee2MQTT e configurar entidades. Ainda assim, o padrão de conectar o medidor ao hub de automação e o hub enviar para o display uma imagem com dados do medidor e outras informações parece bom
    • Gosto dessa pessoa porque ela é divertida. Também comprei a assinatura anual de US$ 12 do projeto IMGZ e, antes que alguém ache que é um anúncio sofisticado, não tenho nenhuma relação com isso
      https://imgz.org/
      O botão “open in wallet” ao pagar com BTC precisa ser corrigido. O link está quebrado
      Fora isso, funciona bem. Ex.: https://imgz.org/iAB4tgaJ/
    • Fico curioso para saber qual disjuntor de energia foi usado

  • Alguns anos atrás fiquei obcecado por esse assunto e comprei um dispositivo pouco conhecido chamado Rainforest Automation Eagle: https://www.rainforestautomation.com/rfa-z114-eagle-200-2/
    É um dispositivo Linux simples que, depois de registrado na companhia elétrica, lê o medidor inteligente, e oferece uma API XML que uso com uma ponte para o Prometheus: https://github.com/kklipsch/reagle
    Também fiz uma ponte para o Prometheus do feed de preços da companhia elétrica ComEd: https://github.com/kklipsch/comed_exporter
    Com os dois, consigo visualizar em gráficos, de forma bem boa, o consumo da casa inteira e as informações de preço no Prometheus e no Grafana

    • Fico curioso para saber se você pode compartilhar como combina as tarifas por hora com as medições de consumo de energia

  • Indo um passo além, instalei um Emporia Vue 2 no quadro de distribuição. Ele tem 16 transformadores de corrente e até o alimentador principal trifásico conectado
    É baseado em ESP32, e existe um excelente projeto ESPHome que permite gravá-lo para relatórios exclusivamente locais. Somando Home Assistant e VictoriaMetrics a isso, agora dá para ver no Grafana o funcionamento da casa inteira. O próximo passo é usar esses dados para controlar uma pequena instalação solar OpenDTU com controle de potência sem exportação. Vivemos em uma época realmente incrível

    • A combinação VictoriaMetrics e Grafana é excelente. Mas seria bom se desse para inserir descrições de métricas para preencher as descrições no explorador de métricas do Grafana. É o papel que, tradicionalmente, o campo help dos metadados de métricas do Prometheus desempenhava
      VictoriaMetrics/Grafana está substituindo nosso sistema industrial de armazenamento de histórico, embora esse produto obviamente não seja topo de linha. Acho que o OSI PI seria melhor
    • Fico curioso para saber se existem mais alternativas parecidas de hardware open source. De preferência com Ethernet e ESPHome
      Os clones que consigo encontrar custam quase o mesmo que o hardware “original”
      O ATM90E32AS sai por cerca de US$ 1 por canal na JLCPCB, então, terceirizando também a montagem SMT, acho que daria para fabricar bem barato. Meu caso de uso tem cerca de 60 circuitos
    • O dispositivo da athom.tech em que o autor original instalou Tasmota também pode ser encomendado, pelo mesmo preço, em uma versão com ESPHome pré-flashado, e funciona com o Home Assistant. Usei por cerca de um ano em uma carga de tomada única de 2500 W e fiquei satisfeito
      Para a carga da casa inteira, recomendo integrar com a tecnologia de medidor inteligente usada em cada país
      Para cargas de porte médio, por exemplo um disjuntor de 32 A no quadro de distribuição do consumidor, ainda não encontrei uma solução confiável e custo-efetiva
    • Comprei um monitor CURB Energy uns 6 anos atrás; fico curioso para saber se alguém sabe se dá para gravar firmware open source nele. Ele só tem integração com a nuvem, e eu queria conectá-lo ao Home Assistant
    • Fico curioso para saber se você pode explicar melhor o que é uma instalação solar OpenDTU

  • Usei um dispositivo IoTaWatt que pode ser instalado no painel. É uma ótima solução para monitoramento por circuito e tem integração direta com InfluxDB, então dá para usar o Grafana
    O monitoramento por tomada também é legal para identificar dispositivos específicos em circuitos específicos
    Vídeo curto de configuração: https://www.youtube.com/watch?v=-tcbJCvuJG8

    • Descobri o canal recentemente e o conteúdo é bom. Acho que já vi o vídeo de homelab umas 10 vezes
      Tenho 3 imóveis antigos de aluguel por temporada e estou adicionando inteligência e monitoramento; um deles é um quiosque com Raspberry Pi baseado em um dos vídeos
    • Hoje um amigo me mandou por DM um link do YouTube para o tour pelo homelab, e foi assim que conheci o canal. Nossos interesses são bem parecidos
      Eu também uso IOTAWATT e gosto muito. Minha única reclamação é que eu gostaria de poder registrar mais canais no mesmo dispositivo, algo como uns 30 canais

  • Estou coletando métricas de consumo de energia do Tapo P110 e enviando para o Grafana Cloud com https://github.com/richardjennings/tapmon. Mas, como outros disseram, usar Wi-Fi em tomadas inteligentes tem seus pontos ásperos

    • Concordo. Troquei vários interruptores de parede por interruptores inteligentes Leviton Wi-Fi, e acho que nunca mais vou para Wi-Fi. Não dá para confiar totalmente
      As tomadas inteligentes Meross são um pouco melhores, mas ainda caem de vez em quando. Depois das atualizações melhoraram um pouco

  • Estou tentando empurrar o Grafana na direção de controle IoT/SCADA. Ele é uma ótima ferramenta para visualizar fontes de dados, e quero que também seja uma ferramenta para controlar coletores de dados
    Pessoalmente, não gosto muito de ter que recomendar Home Assistant para esse uso
    Trabalho na Grafana Labs

    • Se o Grafana desse suporte a campos de entrada numérica e botões, poderia substituir facilmente algo como o Wonderware InTouch
      Os sistemas SCADA tradicionais têm recursos de gráficos tão terríveis que é uma área bem passível de disrupção
    • Isso seria muito bom. Usamos dashboards do Grafana para testes termovácuo, e todo mundo vive pedindo recursos simples de SCADA
    • Fiquei curioso se você poderia explicar melhor como os coletores de dados de que está falando se aplicam à ideia

  • Meio brincando, meio falando sério, fico pensando se o próprio uso do Grafana não anula os ganhos obtidos com o monitoramento. Se eu tivesse que apontar um software que usa regularmente muito mais recursos do que parece razoável, seria o Grafana

    • Se você exportar para Splunk ou Datadog, dá para queimar muito mais dinheiro do que parece razoável
    • A solução simples é puxar uma extensão da casa do vizinho e alimentar o equipamento de monitoramento com a eletricidade dele

  • Comprei um ESP32 barato conectado a um sensor de luminosidade, e prendi esse sensor de luminosidade ao medidor de energia. O medidor pisca 1000 vezes por 1 kWh, então leio isso
    Subo os dados para o Google Sheets e deixo a planilha gerar gráficos; funciona bem
    Também deixei outro ESP32 com sensor PIR na casa de um parente idoso, enviando os dados de movimento para outra planilha do Google Sheets para monitorar quanta movimentação há
    Se espero que o Google encerre esse serviço a qualquer momento? Sim, mas por enquanto funciona. Dá para escrever e ler dados no Google Sheets em JSON a partir do ESP32; não é intuitivo, mas é possível e gratuito

    • Gosto da abordagem simples. O medidor antigo só tinha o disco giratório, então me esforcei ao máximo para conectar a um Arduino um sensor que detectasse a marca preta na borda do disco
      Ele mal tinha memória suficiente para subir um serviço HTTP que permitisse levar esse valor para o iobridge para monitoramento remoto
    • Uso um dispositivo Frient Zigbee que faz a mesma coisa, e os dados vão para o Home Assistant

  • Fiquei surpreso por não ver mais comentários aqui falando dos monitores Shelly. Eles são bons para monitoramento de energia da casa inteira, ou seja, na entrada e nos circuitos, têm integrações bem abertas e integram diretamente com o Home Assistant
    Dentro de casa, parece fazer mais sentido usar disjuntores prontos “burros” e adicionar monitores complementares do que acoplar fortemente a funcionalidade a um único dispositivo

    • Uso cerca de uma dúzia de relés Shelly e estou satisfeito. Mas, para medição de energia, não é uma solução excelente
      As pinças trifásicas são muito caras, e não há uma opção com 8 ou 16 sensores como no Emporia Vue. Vale mencionar a Shelly, mas não para medição de energia em nível granular

  • Também há o fato de que dá para fazer automações. Uma automação recente que fiz reduz o volume da campainha se a máquina de ruído branco do bebê estiver ligada

    • Fiquei curioso se você poderia explicar melhor como Prometheus ou Grafana ajudam com automação. Eu não sabia que algum dos dois oferecia esse recurso