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LETTURA FOTOVOLTAICO DA REMOTO CON NODEMCU

21/05/2018

Vediamo come realizzare un semplice dispositivo per leggere la produzione di un impianto fotovoltaico e caricare i dati su un server online. La lettura manuale degli inverter di un impianto fotovoltaico è una procedura scomoda e tediosa ma è possibile automatizzare l'estrazione dei dati di produzione poichè molti inverter dispongono di interfaccia RS485. Grazie a tale interfaccia è possibile collegare un piccolo dispositivo elettronico in grado di interrogare gli inverter ad intervalli regolari e memorizzarli o inviarli ad un server remoto. I dati possono poi essere letti da smartphone o computer desktop da qualsiasi parte del mondo!

Un impianto fotovoltaico consiste di un insieme di pannelli, uno o più inverter, il contatore di produzione e quello di scambio:

L'inverter funziona autonomamente ma controllarne il corretto funzionamento è di primaria importanza per evitare cali di produzione e intervenire tempestivamente per guasti e malfunzionamenti. L'interfaccia RS485 mette a disposizione un numero di dati interessanti tra i quali:

• Temperatura (C)
• Produzione giornaliera (kWh)
• Produzione totale (kWh)
• Stato (OK o guasto)
• Tensione, corrente e potenza istantanea

Schema di base

Lo schema di base del progetto è abbastanza semplice. Siccome la stragrande maggioranza degli inverter usa RS485 ho optato per NodeMCU, un minicomputer da 7 euro (7 euro!) che dispone di interfaccia seriale, un certo numeri di GPIO programmabili e un potente modulo WiFi. NodeMCU può essere programmato per connettersi alla rete WiFi di casa e può ricevere o inviare dati ad un server remoto. Si programma esattamente come una scheda Arduino e non dispone di sistema operativo o programmi vari come un Raspberry Pi. Questa caratteristica lo rende perfetto al nostro scopo perchè l'imperativo in questo caso è l'affidabilità: un Raspberry Pi sarebbe stato altrettanto capace ma essendo un computer vero e proprio è soggetto ad aggiornamenti improvvisi, corruzioni del filesystem, blocchi inaspettati di sistema e chi più ne ha più ne metta. NodeMCU è più simile ad un microcontrollore che ad un vero PC: esegue un solo programma nella sua memoria flash, non ha una SD card che può deteriorarsi nel tempo e se viene a mancare la corrente si azzera tutto e riparte da capo senza problemi.

La scheda NodeMCU ha una seriale UART TTL che non è direttamente compatibile con RS485, è quindi necessario un secondo modulo in grado di convertire l'UART TTL del NodeMCU in un segnale RS485 adatto all'inverter. Queste schede di conversione si trovano a pochi centesimi su ebay o amazon.

NodeMCU dialoga con l'inverter tramite il modulo di conversione RS485, preleva i dati di produzione e li invia in wifi al server remoto. Un semplice script PHP nel server riceve i dati, li elabora e produce una pagina HTML consultabile da qualsiasi smartphone Android/iPhone o PC desktop

L'intervallo di interrogazione e di caricamento dei dati nel server è totalmente configurabile, 1 minuto è più che sufficiente. Lo script PHP può essere configurato per inviare email in caso di guasto o temperatura eccessiva degli inverter o semplicemente per notificare l'utente a fine giornata della produzione totale. La pagina HTML è estremamente semplice e mostra i dati cosi' come vengono acquisiti dalla scheda NodeMCU:

Ogni blocco corrisponde ad un inverter e contiene i dati di produzione. Il blocco è verde quando tutto è ok, diventa rosso in caso di guasto o temperatura eccessiva.

NodeMCU

Il cervello del progetto è questa piccola scheda, NodeMCU, un minicomputer da 7 euro in grado di connettersi in WiFi alla rete di casa, implementa tutto lo stack TCP/IP per l'invio e ricezione di dati a server remoti, possiede 16 GPIO programmabili, una UART bidirezionale, un'altra UART solo in trasmissione, interfaccia pr SD card (opzionale) e interfaccia SPI:

Ecco i dettagli della piedinatura:

La scheda si programma tramite USB esattamente come Arduino, basta scaricare l'IDE ufficiale Arduino, installare la libreria ESP8266 (NodeMCU è essenzialmente una dev board per ESP8266) e configurare l'ambiente di sviluppo per la programmazione. Ecco un'ottima guida per iniziare. La seriale UART è mappata ai pin RX/TX e purtroppo non possono essere usati direttamente per dialogare con l'inverter che accetta RS485. Fortunatamente l'unica sostanziale differenza tra seriale UART e RS485 è soltanto nel livello fisico e non quello di protocollo percui un semplice convertitore è tutto quello che serve

Modulo RS485

Questo convertitore a basso costo trasforma il segnale UART del NodeMCU in un segnale RS485 e viceversa.

I pin A e B andranno collegati ai corrispondenti piedini A e B degli inverter nella classica configurazione in cascata mentre all'altro lato i piedini RO, DI, DE, RE andranno collegati alla scheda NodeMCU. I pin RO (Out) e DI (In) vanno collegati rispettivamente ai pin RX e TX della scheda NodeMCU. DE e RE sono piedini speciali utilizzati per abilitare la lettura o la scrittura sul doppino RS485. DE abilita il driver interno di scrittura e va impostato ad 1 quando si vuole transmettere un pacchetto dati verso gli inverter. RE abilita l'ascolto e va impostato a 0 quando si vuole ricevere un pacchetto di risposta da uno degli inverter. Siccome DE è attivo alto e RE attivo basso e siccome la comunicazione con gli inververter è half-duplex (botta e risposta con un solo master) è possibile collegare tra loro questi due pin e comandarli con un unico GPIO della scheda NodeMCU. Quando vogliamo inviare un pacchetto dati agli inverter basterà alzare il GPIO ad 1 , quando vogliamo ricevere lo impostiamo basso

Circuito

Il circuito è estremamente semplice, la scheda NodeMCU viene alimentata tramite USB da un normale alimentatore a 5v (assicuriamoci che riesca a fornire almeno 1000mA di corrente, altrimenti il driver RS485 non riuscirà a comunicare con gli inverter). I piedini TX/RX della scheda sono collegati a RO/DI del convertirore RS485. Il GPIO5 comanda la scrittura / ricezione dei dati ed è collegato ai piedini RE/DE del convertitore. Il convertitore è alimentato a 3.3V dalla scheda NodeMCU stessa. I pin A e B del convertitore vanno agli inverter

Il convertitore è alimentato a 3.3v per renderlo compatibile con i livelli elettrici dell' UART del NodeMCU, che sono a 0-3.3v. La tensione massima prodotta dal convertitore RS485 sarà di 3.3v che è perfettamente sufficiente per dialogare con gli inverter (lo standard RS485 prevede un minimo di 1.5v, alcuni dispositivi accettano fino a 200mV):

Ecco una foto dei due moduli collegati tra loro, a sinistra la scheda NodeMCU, a destra il convertitore RS485 collegato al doppino che va agli inverter

Protocollo di comunicazione

Gli inverter utilizzano una variante del protocollo MODBUS in modalità half-duplex. Ciò significa che ad ogni istante di tempo c'è solo un dispositivo che "parla" sulla linea mentre gli altri "ascoltano". Esiste un solo master ossia la scheda NodeMCU, tutti gli inverter sono slave. Il protocollo è di tipo "botta e risposta" cioè il master invia una richiesta e uno slave (un inverter) risponde: gli inverter non iniziano mai di loro iniziativa a dialogare con il master, è sempre e solo il master che interroga e riceve (eventualmente) una risposta.

Una trasmissione si compone di un singolo pacchetto MODBUS che include 7 campi:

• header: un codice fisso 0xAA, 0xAA di preambolo che da tempo agli inverter di "mettersi in ascolto" sulla linea
• sender address: l'indirizzo 16 bit del mittente (0x0100 è il master)
• receiver address: indirizzo 16 bit del destinatario (0x0000 è l'indirizzo broadcast)
• command: un codice a 16 bit che descrive uno tra 4 possibili richieste, poi vedremo quali nel dettaglio
• payload length: 8 bit per specificare la lunghezza del prossimo campo (payload)
• payload: il contenuto del pacchetto vero e proprio (dati di produzione degli inverter o altro)
• CRC: il classico campo di controllo utile al ricevente per verificare la corretta ricezione del pacchetto

Esistono 4 tipi diversi di comandi:

• comando RICHIESTA NUMERO SERIALE
• comando ASSEGNAZIONE INDIRIZZO
• comando RICHIESTA DATI DI PRODUZIONE
• comando RESET

Richiesta dati di produzione

Il comando RICHIESTA DATI DI PRODUZIONE viene inviato dal master (NodeMCU) ad intervalli regolari e contiene l'indirizzo di destinazione dell'inverter che vogliamo interrogare. Il payload è vuoto. L'inverter risponderà con un pacchetto simile contenente i dati di produzione. Nel caso degli inverter Solartec si tratta di un payload di esattamente 90 byte che contiene temperatura, corrente, tensione, produzione giornaliera, produzione totale e molto altro. La corretta decodifica di questo payload va fatta caso per caso e dipende dal modello di inverter. Ogni inverter ha il suo indirizzo univoco (receiver address) ma come viene assegnato questo indirizzo? Lo vediamo nel prossimo comando.

Assegnazione indirizzo

Il comando ASSEGNAZIONE INDIRIZZO è inviato dal master in broadcast (non abbiamo ancora un indirizzo specifico al quale inviare il pacchetto!) e contiene nel payload il numero seriale dell'inverter e l'indirizzo che vogliamo assegnare, ad esempio:

1003BW0063, 0x0012

Ossia assegnamo l'indirizzo 0x0012 all'inverter con numero seriale 1003BW0063. L'inverter con questo seriale (e solo lui) risponderà  affermativamente con un ulteriore pacchetto modbus nel quale payload sarà di nuovo specificato l'indirizzo richiesto, a conferma dell'avvenuta associazione.

Il master non fa altro che inviare una richiesta di associazione per tutti gli inverter che conosce (la lista dei numeri seriali). Ma come fa il master a sapere la lista dei seriali? Ci sono due modi possibili. O la codifichiamo la lista nel firmware della scheda NodeMCU, soluzione non esattamente flessibile, oppure usiamo il prossimo comando.

Richesta numero seriale

Il comando RICHIESTA NUMERO SERIALE è inviato dal master ad intervalli regolari per "cercare" nuovi inverter sulla linea e richiederne il codice seriale. Siccome gli inverter possono accendersi e spegnersi continuamente  per via delle differenti condizioni atmosferiche o semplicemente alla sera, è necessario inviare questo pacchetto ad intervalli regolari, tipo ogni 10 secondi, e vedere quali nuovi inverter sono disponibili in linea. Il payload è vuoto e l'indirizzo di destinazione è broadcast. Non appena un inverter si accende (tipo al mattino) riceverà questo pacchetto e risponderà con il proprio seriale (nel payload della risposta ovviamente). Il master procederà quindi ad assegnare un indirizzo e poi a ciclare continuamente con le richieste di produzione.

Comando reset

Questo comando è inviato dal master al primo riavvio tre o quattro volte di fila per resettare gli inverter e annullare eventuali associazioni indirizzo precedenti. In questo modo tutti gli inverter saranno di nuovo disponibili a farsi assegnare un nuovo indirizzo. Se non inviassimo questo comando all'avvio del master, potremmo cadere nel caso sfortunato in cui il master si riavvia per qualche motivo (ad esempio una interruzione momentanea dell'alimentazione), perde memoria degli indirizzi degli inverter, ma gli inverter stessi non accettano ulteriori associazioni indirizzo perchè ne hanno già uno impostato.

Firmware NodeMCU

Andiamo ora a vedere il firmware della scheda NodeMCU. Il firmware è scritto in C e contiene tutto il codice per dialogare con gli inverter tramite protocollo MODBUS e per inviare i dati al backend remoto PHP.

Il cuore del firmware è questo ciclo infinito che colleziona i dati dagli inverter e poi li invia in HTTP al server remoto

void loop()
{
  int u = 0;

  delay(1000);

  // get data from inverters
  getdata();

  // upload data online
  upload();
}

La fase di setup imposta la seriale TX/RX del NodeMCU, il GPIO 2 per selezionare il modo trasmissione / ricezione dei dati, alloca la memoria e invia 3 comandi di reset per resettare le associazioni indizzo-inverter.

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  pinMode(gpiod2, OUTPUT);
  delay(1000);

  memset(inverters, 0, sizeof(inverters));

  sendpacket(0, 4, 0); // reset
  sendpacket(0, 4, 0); // reset
  sendpacket(0, 4, 0); // reset
}

La funzione GetData() non fa altro che ciclare su tutti gli inverter attuamente conosciuti e ne richiede i dati di produzione:

void getdata()
{
  int discover = 1;
  for(int slot = 0; slot < MAX_INVERTERS; slot++) { if(discover) { discovernew(); discover = 0; } if(inverters[slot] != 0) { discover = 1; t_inverter* ptr = inverters[slot]; sendpacket(ptr->address, 0x0102, 0); // data request
      int res = readpacket();

      if(res > 0)
      {
        // copy payload
        ptr->lastdatalen = res;
        for(int p = 0; p < res; p++) ptr->lastdata[p] = payload[p];
      }
      else if(res == -1) // timeout
      {
        ptr->retry++;
        if(ptr->retry == MAX_RETRY)
        {
          free(ptr);
          inverters[slot] = 0;
        }
      }
    }     
  }
}

La funzione GetNew() invece si inframezza alle richieste di produzione e prova a cercare nuovi inverter da aggiungere alla lista di quelli già conosciuti:

int discovernew()
{  
  int slot = nextempty();

  if(slot < 0) return -1; // no more space left sendpacket(0, 0x0000, 0); // serial request int res = readpacket(); if(res > 0)
  {
    // choose address
    int address = slot + 1;
    char name[1024];

    // copy name
    for(int n = 0; n < res; n++) name[n] = payload[n]; name[res] = 0; sendhttp("found:" + String(name)); // build payload payload[res] = address & 0xff; sendpacket(0, 0x0001, res + 1); // pairing request res = readpacket(); if(res == 1) // payload must be 1 byte long { // confirmed t_inverter* ptr = (t_inverter*)malloc(sizeof(t_inverter)); ptr->retry = 0;
      ptr->address = address;
      strcpy(ptr->name, name);
      inverters[slot] = ptr;

      return 1;
    }
  }
  return -1;
}

Le funzioni accessorie sendpacket(), readpacket() e sendhttp() sono usate rispettivamente per inviare un pacchetto MODBUS sulla linea, riceverne uno di risposta, e per inviare i dati di produzione al server remoto tramite protocollo standard HTTP. Username e password della rete WiFi sono codificati nel firmware cosi come l'indirizzo remoto della pagina PHP; una soluzione più sofisticata potrebbe prevedere una modalità di configurazione via USB nella quale specificare tutti questi parametri.

Server e funzionamento finale

La scheda NodeMCU completa del convertitore RS485 può essere alimentata direttamente dalla porta USB di uno degli inverter. Se gli inverter non hanno una porta USB basta usare un normale caricatore del telefono da almeno 1000mA.

Ovviamente deve essere presente un segnale WiFi. Se la rete non fosse presente in prossimità degli inverter è necessario portare il doppino RS485 all'interno dell'abitazione o in prossimità, nessun problema considerando che è possibile coprire un chilometro e mezzo con RS485 a 9600 baud. Il trasmettitore funziona in completa autonomia, si collega automaticamente alla rete WiFi e si ricollega in caso di connessione internet temporaneamente assente. Nel server una semplice pagina PHP riceve i dati di produzione e ripropone gli stessi dati nel browser:

La pagina HTML può essere aperta da smartphone, tablet o PC desktop da qualsiasi parte del mondo senza essere nelle vicinanze degli inverter. Inoltre è possibile configurare il server in modo tale da inviare email a fine giornata con il totale della produzione oppure email di notifica in caso di guasti o temperatura eccessiva.

EDIT

Dato che me lo avete chiesto in tantissimi, ho deciso di pubblicare tutti i sorgenti (firmware NodeMCU e server PHP) sulla mia pagina GitHub. Ovviamente il progetto è aperto a pull request per miglioramenti (es. supportare più tipi di inverter, altri protocolli, pagina HTML più moderna, etc..)

https://github.com/gianlucag/Solarino

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