Arduinoで作る高精度エナジーモニター&データロガー – Dr. Wattsonボード活用

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1
Dr. Wattson エナジーモニタリングボード	1	MCP39F521搭載、I2C接続
Dr. Wattson用アクリルケース	1	安全性確保、IECソケット付き推奨
Adafruit MicroSDカードブレークアウトボード	1	SPI接続、データログ用
タクトスイッチ	1	ログ開始/停止トグル用
LED (赤)	1	ログ状態表示用
抵抗 220Ω	1	LED電流制限用
ジャンパーワイヤー	多数

プロジェクト概要

Microchip MCP39F521パワーモニタリングICを搭載した「Dr. Wattson」ブレークアウトボードをArduinoで制御し、電流・電力・力率などのエネルギーデータをMicroSDカードにCSV形式でロギングするシステムです。タクトスイッチでログ開始/停止を切り替え、LEDで記録中を表示。ログローテーション機能により、セッションごとに別ファイル (DATA00.CSV〜DATA99.CSV) に保存。Excel等で簡単にグラフ化可能です。

Dr. Wattsonボードの特徴

• MCP39F521ベース: 単相電力測定IC、4000:1ダイナミックレンジ (1mA〜4A測定可能)
• 電流/電圧トランスで絶縁済み: デジタル出力はメイン電圧から完全絶縁、安全
• I2Cインターフェース: 2線 (SDA/SCL) でArduinoと通信、アドレスジャンパーで4台まで同時接続可能
• 工場出荷時キャリブレーション済み: すぐ使える高精度データ
• 最大12Aまで対応 (基板設計上)、測定レンジは4Aまでキャリブレーション済み
• 高度機能: ZCD(零点検出)、イベント通知(過電流/過電力/電圧サグ)、キャリブレーションルーチン

回路接続

Dr. Wattson – Arduino UNO (I2C)

Dr. Wattsonピン	Arduinoピン
SCL	A5
SDA	A4
GND	GND
VIN	5V
3.3V	3.3V
ZCD / Event	未接続 (本例では未使用)

MicroSDカード – Arduino UNO (SPI)

SDピン	Arduinoピン
CLK (SCK)	13
MISO	12
MOSI	11
CS	10 (ハードウェアCS、変更可)

ボタン & LED

部品	接続
タクトスイッチ	ピン4 — GND (内部プルアップ使用, アクティブLOW)
LED (アノード)	ピン9 — 220Ω — GND (カソード)

スケッチ解説

主要ライブラリ

• Wire.h (I2C標準)
• UpbeatLabs_MCP39F521.h (Dr. Wattson専用ライブラリ, GitHub)
• SD.h (SDカード標準)
• Button.h (Jack Christensen作, デバウンス機能付き, GitHub)

セットアップ処理

#define BUTTON_PIN 4
#define PULLUP true
#define INVERT true
#define DEBOUNCE_MS 20
Button myBtn(BUTTON_PIN, PULLUP, INVERT, DEBOUNCE_MS);

#define LED 9
#define CHIP_SELECT 10

UpbeatLabs_MCP39F521 wattson;
bool readData = false;
char filename[] = "DATA00.CSV";

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LED, OUTPUT);
  pinMode(CHIP_SELECT, OUTPUT);

  // SDカード初期化
  if (!SD.begin(CHIP_SELECT)) {
    Serial.println(F("*** SD Card failed, or not present ***"));
  }

  wattson.begin();  // デフォルトI2Cアドレス 0x74

  // 未使用のファイル名を検索 (DATA00.CSV 〜 DATA99.CSV)
  for (uint8_t i = 0; i < 100; i++) {
    filename[4] = i/10 + '0';
    filename[5] = i%10 + '0';
    if (!SD.exists(filename)) {
      Serial.print(F("Data file is "));
      Serial.println(filename);
      break;
    }
  }
  Serial.println(F("**initialization complete.**"));
}

メインループ

void loop() {
  myBtn.read();  // ボタン状態更新

  // ボタンリリースでトグル
  if (myBtn.wasReleased()) {
    readData = !readData;
    digitalWrite(LED, readData);  // LEDで記録状態表示
  }

  if (readData) {
    UpbeatLabs_MCP39F521_Data data;
    UpbeatLabs_MCP39F521_FormattedData fData;
    int readMCPretval = wattson.read(&data, NULL);
    unsigned long currentMillis = millis();

    if (readMCPretval == UpbeatLabs_MCP39F521::SUCCESS) {
      // ターミナル画面クリア (screenコマンド使用時)
      Serial.write("\x1B""c");
      wattson.convertRawData(&data, &fData);
      printMCP39F521Data(&fData);

      // SDカードにCSV書き込み
      File dataFile = SD.open(filename, FILE_WRITE);
      if (dataFile) {
        dataFile.print(currentMillis); dataFile.print(",");
        dataFile.print(fData.currentRMS); dataFile.print(",");
        dataFile.print(fData.activePower); dataFile.print(",");
        dataFile.print(fData.reactivePower); dataFile.print(",");
        dataFile.println(fData.apparentPower);
        dataFile.close();
      } else {
        Serial.print(F("error opening ")); Serial.println(filename);
      }
    } else {
      Serial.print(F("Error! ")); Serial.println(readMCPretval);
    }
  }
}

CSV出力フォーマット

timestamp(ms), currentRMS(A), activePower(W), reactivePower(VAR), apparentPower(VA)

※ ヘッダー行自動出力は将来の拡張予定。手動で1行目に追加してください。

実測例: CFL電球 (14W) のコールドスタート

• 電流: ピーク0.21A → 定常0.18Aに収束
• 有効電力: ピーク17W → 定常14.2Wに収束
• ウォームスタート時は即座に定常値へ
• 無効電力・皮相電力から力率変化も観測可能

データ分析のヒント

• CSVをExcel/Googleスプレッドシート/NumPy等で読み込みグラフ化
• タイムスタンプは millis() (ms) なので、経過時間に変換して横軸に
• 有効/無効/皮相電力から負荷の性質 (抵抗性/誘導性/容量性) を推定
• 待機電力測定には高感度レンジ (1mA〜) が威力を発揮

シリアルモニターの代替: screen コマンド

Arduinoシリアルモニターは画面クリア非対応。Mac/Linuxなら screen が便利:

$ screen /dev/tty.usbmodem1411 9600

スケッチ側で Serial.write("\x1B""c"); (ANSIエスケープシーケンス) を送ると画面がその場で更新され、リアルタイムモニターのように見えます。

結論とリソース

Dr. Wattsonは「メイカーが手軽に高品質な電力データを扱えること」を目指したボードです。安全性、キャリブレーション済み、拡張性を兼ね備え、家電の消費電力分析からIoT電力監視まで幅広く応用可能。

• 完全スケッチ: 本文末尾に掲載
• ライブラリ & 例: Upbeat Labs drwattson GitHub
• 製品情報: Tindie販売ページ
• ニュース登録: LaunchRock