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Do you need monitoring for your photovoltaic plant, an energy manager to optimize self-consumption, inexpensive solar battery storage?
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An Energy Manager without the limitation of a manufacturer specific solution!

We all know renewable energy is the way of the future, not only is it good for the environment but it rewards those who harness it.

Renewable energy allows us endless access to energy, but the energy flow is not constant. Without any energy management, the self-consumption is usually well below 40%. An energy manager measures current electricity power consumption from the grid and the excess energy that is fed back into the grid. 

Energy manager can automate major loads depending on the current amount of renewable energy available. Major loads include things such as heat pumps, water heaters and laundry dryers. This increases the self-consumption quote whilst reducing the power consumption from the grid in order to save you money!

Currently there is a lack of standards for the communication between the generators, storage and loads. Manufacturer specific solutions are limited in compatibility for this reason. This is where the EMDO101 comes in.

THE DEVICE

The EMDO101 (EMDO) is a versatile tool which allows the connection of components such as inverters, chargers, home automation, heat pumps and heaters at your home. It is a versatile piece of electronics that glues everything in your energy infrastructure together. The device can be programmed freely, which allows for adaptation to your infrastructure. We recognise that everyone's needs are different!

EMDO has a bunch of interfaces already built into the device making this all easier for you. It comes with Ethernet, RS485, one relay driver, three S0 inputs (one optical and two electrical), two S0 outputs (electrical, also capable to drive solid state relay), one infrared IEC D0 energy meter reader (IEC62056-21) and temperature sensor built in. The EMDO also has a TCP/IP and UDP stack with MQTT client to help participate at the internet of things (IoT). A simple HTTP Server with java scripting in the web browser and a small but powerful BASIC interpreter is put to use. The device has a flash memory in order to store and visualize the recorded data. 

EMDO101 The Device
EMDO101 The Device

Everybody is able to write their own program with BASIC, which allows for ease of usage. The BASIC program editor is already integrated into the device. It runs in the web browser and allows even beginners to run and debug applications.

We have chosen the famous MMBasic Interpreter written by Geoff Graham http://mmbasic.com/ and added even more commands.

Webinterface with Editor and Graph
Webinterface with Editor and Graph

Application Examples

BASIC program examples are available from our website, these programs can be used as a starting point to tailor your application.

We also offer engineering services if things are getting more complicated in your home/office.

Monitoring

There are several ways to monitor renewable energy production with the EMDO device. The data is stored on the internal flash and displayed with the web browser. For example BASIC programs exist for reading S0 inputs, IEC62056-21 D0 reader, RS485 (Modbus Sunspec and Energy meter), Ethernet (HTTP Get, Modbus Sunspec, JSON, XML, SNMP).

There is a wide range of monitoring applications, such as monitoring solar inverter electricity production, monitor electricity consumption of a household, monitor business infrastructure such as heaters and coolers, etc.

The best part is that there are no hidden cost such as setup fee for a monitoring portal or any nasty monthly fees!

Monitoring
Monitoring

Energy Manager for Inverter Power Limiting, Heat Pumps, Pool Pumps and Water Heaters

The renewable energy regulations in some countries require the limitation of the power that is fed into the grid. The EMDO can be attached to the D0 interface of the electrical grid meter and generate a S0 signal, which controls the output power of the inverter. 

The EMDO has two S0 outputs that can be used to control inverters, but can also be used to switch solid state relays on and off (e.g. for heat pumps). In addition to this, the device has a relay driver on board in order to switch coil relay loads. Some heaters such as the 'Ego smart water heater' can be controller over RS485 (Modbus). Some heat pumps also support Ethernet (Modbus) to modulate the heat pump energy consumption. The ethernet is a very flexible interface, it can be used to control even more devices such as smart power plugs. 

The EMDO can also be used to warn the user if too many loads are currently running, which would result in a higher electricity tariff.

Loads
Loads

Inexpensive Battery Storage, make the most out of your energy!

The EMDO allows the building of inexpensive battery storage systems! For example a USP such as the Bel Power Solutions Aspiro Lead Acid Battery charger (which is mostly used in Railway and Telecommunication systems) can be used with your system. The manufacturer modified the firmware for us, so that the battery charging current can be controlled by the EMDO in order  to charge the batteries with the excess energy.

The inverter (AEConversion INV500) is controlled to feed the energy from the batteries back into the power grid of the house (RS485 custom protocol) so that less energy is drawn from the public grid! 

The components are scalabe, charging power up to 2.4kW or 4.8kW. Discharge power is 480W per device (several inverters can run in parallel). Both devices are certified for use many countries (single phase and split phase) which means you can capitalise from this technology! 

We can also build a solar battery (48V / 36kWh) with this system for only a fraction of the price that regular solar batteries storage system. This solution is especially interesting if refurbished high cycle life lead acid batteries are available, e.g. traction batteries. 

Storage
Storage

This setup can be combined with other applications from above. For example in our house we run the solar heat panels in parallel  with a water heater. If the battery is near full, the excess energy is used to heat the water in the boiler.

We can assist you with the components.

Off-Grid Wind Turbine connected to On-Grid  

Off-Grid generators usually charge a battery and generate 24V or 48V DC output. The turbines are inexpensive as a simple inverter can be built into the turbine. With the help of the EMDO it is possible to control an AEConvertion Inverter like the INV350 and feed the electrical power directly into the house.

Off-Grid goes On-Grid
Off-Grid goes On-Grid

Communication with Home Automation (Smart Home)

Example programs are available to let the EMDO communicate over HTTP with other devices (e.g. XML, JSON). This opens a wide range of applications in the field of home automation. One simple example is the control of a Philips HUE light bulb to change its color to red if energy is consumed from the power grid and change color to green if excess energy is available.

The EMDO BASIC variables can be read and modified over json commands too. In addition the device has a MQTT client stack implemented for further practicality. This allows a flexible data exchange between several EMDO devices or other gadgets such as Arduino, Rasperry PI or PC. 

The D0 Reader and RS485 interface can also be accessed over Ethernet. In this mode the EMDO works as an Ethernet to serial gateway. The IEC62056-21 D0 reader protocol is not supported by all home automation solutions out of the box. The EMDO supports a special mode in which all the protocol are done by the EMDO device and only the relevant OBIS codes are extracted (e.g. current power consumption).

This allows for the integration of the EMDO into existing home automation solutions such as FHEM, OpenHab, homematic or KNX server (and many more).

Flexible Communication
Flexible Communication

Demonstration

The following videos show the device's current functionality and demonstrates the range of features described.

Pilot Production

We performed a pilot production of 10 boards in which the production process is working great in all cases. 

Quality

We like to provide an excellent product so excellent PCB quality is important to us. As a typical photovoltaic plant is supposed to run 25 years and more, our aim is to make a long lasting product. The EMDO is built with high quality components, soldered with a high quality soldering process (vapour phase soldering) right here in Switzerland. We have a full surface mount assembly line which is ideal for these quantities. However, we are also capable to scale up the production (same high quality soldering process) with a partner near Zurich, Switzerland. 

We use an off the shelf enclosure. Some CNC milling is required for the D0 reader adapter and the enclosure. We have tested these works and will be able to produce those parts in larger quantities on our 4 axis CNC mill. Also, we will be able to order the enclosures already customized directly from the enclosure manufacturer (UK).

Our machines are powered by electricity from renewable energy on the roof of our house!

Roadmap

The next step in the hardware development is the certification (CE /FCC) of the device (December 2015). We will then start with building the test adapter for device production and device production itself. Firmware also needs some finalizing (graphical visualization, Basic Debugger, MQTT) and testing.

EMDO RevC ready for certification
EMDO RevC ready for certification

Support

Your Kickstarter Support is important to us. We're looking forward to build up a renewable energy community. Sharing BASIC source code (Open Source) and idealism we can make the most of our renewable energy! 

You can also support us by telling other people in the renewable energy and smart home forums about this kickstarter campaign.

Getting into high quantities with the boards will help us to increase the automation of the production line (THT process) and dedicate more time to write BASIC program examples.

Regulation

For all electrical installations, national and local regulations must be followed. Lead acid battery rooms must be well ventilated. The oxyhydrogen gas which is produced during charging of the batteries is explosive. Recombination plugs / recombination vent caps for wet batteries reduce the risk of explosion and ventilation requirements.

Acknowledgement

Thank you to all the people who helped realizing this project. 

Special thanks to Geoff Graham for his support and writing MMBasic, Peter Andersson for his support and writing SPIFFS, Richard Barry for writing FreeRTOS.

Links

www.swissembedded.ch

www.solar-komplett.ch

support.swissembedded.ch

github.com/swissembedded/em

www.facebook.com/swissEmbedded

www.pinterest.com/swissembedded

https://www.youtube.com/channel/UCTsEhHsbe5aRhIX9VMkXWuQ

Deutsche Übersetzung (German Translation)

Ein Energiemanager ohne die Beschränkung auf eine herstellerspezifische Lösung!

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Die erneuerbaren Energien sind die Zukunft. Sie sind gut für die Umwelt und für die Menschen, welche sie zu nutzen wissen.

Erneuerbare Energien ermöglichen uns endlosen Zugang zu Energie, aber der Energiefluss ist nicht konstant. Ohne Energiemanagement bleibt der Eigenverbrauch gewöhnlich deutlich unter 40%. Ein Energiemanager misst den aktuellen Strombezug aus dem öffentlichen Stromnetz und die überschüssige Energie, die ins öffentliche Netz eingespeist wird. Der Energiemanager kann große Verbraucher gemäß der aktuell verfügbaren Energiemenge automatisieren. Große Verbraucher sind Geräte wie Wärmepumpen, Elektroboiler und Wäschetrockner. Dies erhöht den Eigenverbrauch bei gleichzeitiger Verringerung des Stromverbrauchs aus dem Netz und spart so bares Geld! Gegenwärtig besteht ein Mangel an Standards für die Kommunikation zwischen den Generatoren, Speicher und Verbrauchern. Herstellerspezifische Lösungen sind aus diesem Grund nur begrenzt kompatibel.

DAS GERÄT

Der EMDO101 (EMDO) ist ein vielseitiges Gerät, dass den Anschluss von Komponenten wie Wechselrichter, Ladegeräte, Hausautomation, Wärmepumpen und Heizgeräten in deinem Zuhause ermöglicht. Es ist ein vielseitiges Stück Elektronik, das alle Teile der Energie-Infrastruktur miteinander verbindet. Zur Anpassung an deine individuelle Infrastruktur lässt sich das Gerät frei programmieren und kann daher leicht die Infrastruktur angepasst werden. Wir haben erkannt, dass jeder Haushalt seine eigenen Anforderungen hat! 

Um dir all dies zu erleichtern, hat der EMDO bereits eine ganze Reihe von Interfaces eingebaut. Das Gerät verfügt über Ethernet, RS485, einen Relais-Driver, drei S0-Eingänge (ein optischer und zwei elektrische), zwei S0-Ausgänge (elektrisch, unterstützt aber auch Halbleiterrelais), einen Infrarot IEC D0 Lesegerät (IEC62056-21) und einen eingebauten Temperaturfühler. Der EMDO verfügt außerdem über einem TCP/IP- und UDP-Stack. Mittels integriertem MQTT-Client kann das Gerät am Internet der Dinge (IoT) teilnehmen. Das Gerät verwendet einen einfachen HTTP-Server mit Java-Scripting im Web-Browser sowie einen kleinen, aber leistungsstarken BASIC-Interpreter. Das Gerät hat ein Flash Memory zum Speichern und Visualisieren der aufgezeichneten Daten eingebaut. 

Das Gerät EMDO101
Das Gerät EMDO101


Jeder ist in der Lage, mit BASIC sein eigenes Programm zu schreiben, was die Verwendung sehr erleichtert. Der BASIC Programm-Editor ist bereits in das Gerät integriert. Er läuft im Webbrowser und ermöglicht selbst Anfängern die Nutzung und Anpassung von Applikationen. Wir haben den bekannten, von Geoff Graham geschriebenen, MMBasic Interpreter http://mmbasic.com/ ausgewählt und diesen sogar noch mit zusätzlichen Befehlen aufgerüstet.

Webinterface mit Editor und Grafiken
Webinterface mit Editor und Grafiken

Anwendungsbeispiele

Beispiele für BASIC-Programme findest du auf unserer Webseite. Du kannst diese Programme bei der Gestaltung deiner Applikation als Einstiegspunkt benutzen. Für den Fall, dass die Dinge in deinem Haus oder Büro sich komplexer gestalten sollten, bieten wir auch Dienstleistungen für die technische Umsetzung an.

Monitoring

Es gibt mehrere Wege, die Erzeugung erneuerbarer Energien mit dem EMDO-Gerät zu überwachen. Die Daten werden auf dem internen Flash gespeichert und mittels Webbrowser angezeigt. So gibt es beispielsweise BASIC Programme für das Lesen von S0-Eingängen, IEC62056-21 D0 Leser, RS485 (Modbus Sunspec und Energiemesser), Ethernet (HTTP Get, Modbus Sunspec, JSON, XML, SNMP). Es gibt ein breites Spektrum an Monitoring-Anwendungen, wie beispielsweise die Überwachung der Stromproduktion von Solarwechselrichtern, die Überwachung des Stromverbrauchs eines Haushalts, die Überwachung einer Geschäftsinfrastruktur wie Heiz- oder Kühlgeräte, usw. 

Das Beste daran ist, dass es keine versteckten Kosten wie beispielsweise einer Einrichtungsgebühr für ein Monitoring-Portal oder lästige monatliche Gebühren gibt!

Monitoring
Monitoring

Energiemanager für Inverter-Leistungsbegrenzung, Wärmepumpen, Pool-Pumpen und Wassererhitzer

Die Einspeisung von erneuerbarer Energie ist in einigen Ländern gesetzlich reguliert. Die Einspeiseleisung ins öffentliche Netz muss zum Teil begrenzt werden. Das EMDO kann an die D0-Schnittstelle des Hauszählers angeschlossen werden und ein S0-Signal erzeugen, welches die Ausgangsleistung des Inverters kontrolliert.

Der EMDO hat zwei S0-Ausgänge, die zur Steuerung von Invertern benutzt, aber auch zum Ein- und Ausschalten von Halbleiterrelais (z. B. für Wärmepumpen) verwendet werden können. Zusätzlich verfügt das Gerät über einen eingebauten Relais-Treiber zum Schalten von Relais. Einige Heizgeräte wie beispielsweise der 'Ego Smart Water Heater' können über RS485 (Modbus) gesteuert werden. Einige Wärmepumpen unterstützen außerdem Ethernet (Modbus) zur Modulation des Energieverbrauchs der Wärmepumpe. Die Ethernet Schnittstelle ist ein flexibles Interface, das auch zur Steuerung zahlreicher Geräte wie beispielsweise intelligenter Netzstecker verwendet werden kann. Der EMDO kann außerdem benutzt werden, um den Nutzer zu warnen, wenn zu viele Verbraucher gleichzeitig laufen, was höheren Kosten und einen höheren Stromtarif zur Folge hätte.

Verbraucher
Verbraucher

Preisgünstiger Akku-Speicher, um das Meiste aus deinem Strom herauszuholen!

Der EMDO ermöglicht den Bau preisgünstiger Akku-Speichersysteme! So kann beispielsweise ein USV wie das Aspiro Bleiakku-Ladegerät von Bel Power Solutions (überwiegend verwendet in Eisenbahn- und Telekommunikationssystemen) mit deiner Infrastruktur benutzt werden. Der Hersteller hat die Firmware für uns so modifiziert, dass der Akku-Ladestrom gesteuert werden kann. So können die Akkus mit dem überschüssigen Strom aufgeladen werden. Der Inverter (AEConversion INV500) wird so gesteuert, dass der Strom von den Akkus zurück ins Stromnetz des Hauses gespeist wird (RS485) und somit weniger Strom aus dem öffentliche Stromnetz bezogen wird! Die Komponenten sind auf deine Bedürftnisse anpassbar, die Ladeleistung bis zu 2.4kW oder 4.8kW. Die Entladeleistung beträgt 480W pro Gerät (mehrere Inverter können parallel oder pro Phase betrieben werden). Beide Geräte sind für viele Länder zertifiziert. Wir haben für unser Haus mit diesem System einen grossen Batteriespeicher (48V / 36kWh) für einen Bruchteil des Preises regulärer Speichersysteme gebaut. Diese Lösung ist besonders dann interessant, wenn  gebrauchte Bleiakkus, z. B. Traktionsakkus günstig verfügbar sind. 

Speicher
Speicher

Diese Installation kann mit anderen oben erwähnten Anwendungen kombiniert werden. So betreiben wir beispielsweise in unserem Haus die Solarthermie Anlage parallel zum elektrischen Boiler. Wenn der Akku fast voll ist, wird der überschüssige Strom verwendet, um das Wasser im Boiler zu erhitzen. Wir helfen dir gern bei den Komponenten. 

Inselwindgeneratoren am Stromnetz betreiben

Insel-Generatoren laden gewöhnlich einen Akku auf und erzeugen eine Ausgangsspannung von 24V oder 48V DC. Die Generatoren sind preisgünstig, da ein einfacher Wandler in das Kleinstkraftwerk eingebaut werden kann. Mithilfe des EMDO ist es möglich, einen AEConvertion-Inverter wie den INV350 zu steuern und den elektrischen Strom direkt aus der Batterie ins Haus einzuspeisen.

Ans Netz angeschlossene Insellösungen
Ans Netz angeschlossene Insellösungen

Kommunikation mit Hausautomationslösungen (Smart Home)

Beispielprogramme für die Kommunikation des EMDO mit anderen Geräten (z. B. XML, JSON) über HTTP sind verfügbar. Dies eröffnet ein breites Spektrum an Anwendungen im Bereich der Hausautomation. Ein einfaches Beispiel ist die Ansteuerung einer Philips HUE LED Lampe. Die Lampe wird auf Rot gestellt, wenn Energie aus dem Stromnetz verbraucht wird und auf grün, wenn überschüssige Energie verfügbar ist. 

Die EMDO BASIC Variablen können ebenfalls mittels JSON-Befehlen gelesen und modifiziert werden. Zusätzlich verfügt das Gerät über einen integrierten MQTT-Client-Stack. Dies ermöglicht einen flexiblen Daten-Austausch zwischen verschiedenen EMDO-Geräten oder anderen Gadgets wie beispielsweise Arduino, Rasperry PI oder PC. 

Auf den D0 Reader und das RS485 Interface kann ebenfalls über Ethernet zugegriffen werden. In diesem Modus fungiert das EMDO als ein Ethernet Gateway. Das Protokoll des IEC62056-21 D0 Readers wird nicht von allen Homeautomationslösungen unterstützt. Der EMDO unterstützt einen speziellen Modus, in dem das gesamte Protokoll vom EMDO-Gerät gesteuert wird und die entsprechenden OBIS-Codes für die Endapplikation extrahiert werden (z. B. der aktuelle Stromverbrauch). Dies ermöglicht die einfache Integration des EMDO in bestehende Homeautomationslösungen wie FHEM, OpenHab, Homematic oder KNX-Server (und viele mehr).

Offene Kommunikation
Offene Kommunikation

Demonstration

Die folgenden Videos zeigen die momentanen Stand der Funktionalität und die beschriebenen Features.

Testproduktion

Wir haben eine Testproduktion von 10 Geräten durchgeführt, bei welcher der Produktionsprozess in allen Fällen problemlos funktioniert hat.

Qualität

Es ist unser Anliegen, ein hervorragendes Produkt anzubieten, deshalb ist eine hervorragende Leiterplattenqualität wichtig für uns. Da eine typische Photovoltaikanlage für 25 Jahre oder länger betrieben wird, ist es unser Ziel, ein langlebiges Produkt herzustellen. Das EMDO wird daher aus hochwertigen Komponenten gebaut und mittels eines hochwertigen Lötverfahrens (Dampfphasenlötprozess) hier in der Schweiz produziert. Wir verfügen über eine vollständige Montagelinie für Kleinserien. Dennoch sind wir auch in der Lage, unsere Produktion mithilfe eines in Zürich, Schweiz, ansässigen Partners (gleicher Qualitäts-Lötprozess) zu erhöhen.

Wir verwenden ein Standard-Gehäuse. Für den D0 Reader und das Gehäuse sind einige CNC-Fräsearbeiten erforderlich. Wir haben diese Arbeiten getestet und werden diese Teile in größeren Mengen auf unserer 4-achsigen CNC-Fräse produzieren können. Außerdem werden wir die Gehäuse direkt vom Gehäusehersteller (GB) beziehen können. 

Unsere Maschinen werden mit Strom aus erneuerbaren Energien auf dem Dach unseres Hauses betrieben! 

Roadmap

Der nächste Schritt in der Hardware-Entwicklung ist die Zertifizierung (CE /FCC) des Geräts (Dezember 2015). Dann werden wir mit dem Bau des Test-Adapters für die Produktion des Gerätes beginnen. Die Firmware benötigt ebenfalls noch den letzten Schliff (graphische Visualisierung, Basic Debugger, MQTT) und muss getestet werden.

EMDO RevC bereit für die Zertifizierung
EMDO RevC bereit für die Zertifizierung

Unterstützung

Um dieses Projekt auf den Weg zu bringen, brauchen wir deine Unterstützung! Wir freuen uns auf den Aufbau einer Community für erneuerbare Energien. Mit dem Teilen von BASIC-Quellcode (Open Source) und vereintem Idealismus können wir das Beste aus unseren erneuerbaren Energien machen! Du kannst uns auch unterstützen, indem du anderen Mitgliedern in Foren zu erneuerbaren Energien und Homeautomation von unserem Projekt erzählst. Der Vertrieb der Geräte wird uns helfen, den Automationsgrad der Produktionslinie zu erhöhen (THT-Prozess) und somit mehr Zeit für das Schreiben von BASIC Programm-Beispielen zu erübrigen.

Gesetzliche Regelungen

Für alle elektrischen Installationen sind die jeweils geltenden nationalen und lokalen gesetzlichen Regelungen zu befolgen. Blei-Akku müssen gut belüftet sein. Das während dem Laden der Akkus produzierte Knallgas ist explosiv. Rekombinations-Propfen verringern das Explosionsrisiko sowie die Belüftungsanforderungen.

Danksagung

Wir möchten all denjenigen danken, die bei der Umsetzung des Projekts geholfen haben. Unser besonderer Dank gilt Geoff Graham für seine Unterstützung und das Schreiben von MMBasic, Peter Andersson für seine Unterstützung und das Schreiben von SPIFFS und Richard Barry für das Schreiben von FreeRTOS.

Links

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Risks and challenges

We have a function rich firmware which must be thoroughly tested. We included a bootloader into the device, which allows firmware updates over USB with a small windows based program. The firmware will be the last part of the puzzle and therefore might have the potential to delay the PCB production. Another factor are the waiting time for semiconductors, which are usually 1-3 weeks, but may be more. We already have material for about 40 boards in stock.

Deutsche Übersetzung (German Translation)
Wir haben eine multifunktionale Firmware, die gründlich getestet werden muss. Wir haben einen Bootlader in das Gerät integriert, der mithilfe eines kleinen, Windows-basierten Programms Firmware-Updates über USB ermöglicht. Die Firmware wird der letzte Teil des Puzzles sein und könnte daher potentiell, die Hardwareproduktion verzögern. Ein weiterer Faktor ist die Wartezeit für Halbleiter, welche in der Regel 1-3 Wochen beträgt, aber auch länger dauern kann. Wir haben bereits Material für etwas 40 Geräte auf Lager.

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- (60 days)