Medidor de Consumo Eléctrico con ESP32 y Pantalla LCD: Proyecto DIY para Monitorización Local sin Nube

La monitorización del consumo eléctrico se ha convertido en una necesidad para hogares inteligentes y eficientes. Sin embargo, muchas soluciones comerciales dependen de servicios en la nube, suscripciones y plataformas cerradas que comprometen la privacidad y la autonomía del usuario. Este proyecto DIY te permitirá construir tu propio medidor de consumo eléctrico utilizando un ESP32 y una pantalla LCD, ofreciendo monitorización local en tiempo real, sin enviar datos a internet. A lo largo de esta guía exhaustiva, exploraremos desde los fundamentos teóricos hasta la implementación práctica, incluyendo esquemas de conexión, calibración, programación y resolución de problemas comunes.

Fundamentos Técnicos del Medidor de Consumo Eléctrico

Para diseñar un medidor de consumo eléctrico preciso y fiable, es esencial comprender los principios físicos que rigen la medición de potencia en corriente alterna (CA). La potencia activa (P) se calcula como el producto del voltaje (V), la corriente (I) y el factor de potencia (cos φ). En un sistema monofásico doméstico, el voltaje suele ser de 230 V (en Europa) o 120 V (en América), mientras que la corriente varía según la carga conectada. El factor de potencia indica el desfase entre la onda de voltaje y la de corriente, y es crucial para cargas inductivas como motores o transformadores.

El ESP32 es un microcontrolador de bajo coste con conectividad Wi-Fi y Bluetooth integrada, ideal para proyectos IoT. Su conversor analógico-digital (ADC) de 12 bits permite leer señales analógicas con una resolución de 4096 niveles. Sin embargo, para medir corriente alterna de forma segura, se requiere un sensor de corriente no invasivo, como el SCT-013, que utiliza un transformador de corriente (CT) para generar una señal de voltaje proporcional a la corriente circulante. Esta señal debe ser acondicionada para que el ADC del ESP32 pueda leerla correctamente, añadiendo un offset de voltaje (generalmente 2.5 V) para evitar valores negativos.

La pantalla LCD, típicamente una LCD 16x2 o 20x4 con interfaz I2C, muestra en tiempo real las variables medidas: voltaje, corriente, potencia activa, energía acumulada y coste estimado. La comunicación I2C reduce el número de pines necesarios a solo dos (SDA y SCL), simplificando el cableado. El ESP32 se encarga de leer el sensor, calcular las magnitudes eléctricas y actualizar la pantalla en un bucle continuo. Todo el procesamiento es local, sin necesidad de conexión a internet, garantizando la privacidad de los datos.

Componentes Necesarios y Esquema de Conexión

La lista de materiales para este proyecto es reducida y económica. Necesitarás un ESP32 (modelo DevKit V1 o similar), un sensor de corriente SCT-013 (versión de 30A o 100A según tu carga máxima), una pantalla LCD 20x4 con módulo I2C, una fuente de alimentación de 5V para el ESP32 (puede ser un cargador USB), una resistencia de carga para el CT (por ejemplo, 33 ohmios para SCT-013-030), condensadores de desacoplo (100 nF y 10 µF), una placa de prototipos y cables jumper. Opcionalmente, puedes incluir un transformador de voltaje (como el ZMPT101B) para medir el voltaje real de la red, pero en esta guía asumiremos un voltaje fijo de 230 V para simplificar.

El esquema de conexión es el siguiente: el sensor SCT-013 tiene un conector jack de 3.5 mm. Debes soldar un cable a la punta (señal) y otro al anillo (GND). La señal del CT se conecta a un pin ADC del ESP32 (por ejemplo, GPIO34) a través de un divisor de tensión que establece el offset de 2.5 V. Para ello, usa dos resistencias de 10 kΩ en serie entre 3.3 V y GND, y conecta el punto medio al pin ADC junto con la señal del CT. Además, coloca un condensador de 100 nF entre el pin ADC y GND para filtrar ruido. La pantalla LCD I2C se conecta a los pines SDA (GPIO21) y SCL (GPIO22) del ESP32, y a 5V y GND. Asegúrate de que la alimentación del ESP32 sea estable, ya que las lecturas del ADC son sensibles a variaciones de voltaje.

Programación del ESP32: Código Completo y Explicación

El firmware del ESP32 se desarrolla en el entorno Arduino IDE, aprovechando librerías como 'EmonLib' para el cálculo de potencia y 'LiquidCrystal_I2C' para la pantalla. A continuación, se presenta el código completo con comentarios detallados. El programa lee la señal del sensor de corriente, calcula la potencia y la energía, y muestra los datos en la LCD cada segundo. Además, incluye calibración del factor de escala y filtrado de ruido mediante media móvil.

#include <EmonLib.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

EnergyMonitor emon1;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4);

const int ADC_PIN = 34;
const float VOLTAJE_RED = 230.0;
const float CALIBRACION_CT = 30.0; // Para SCT-013-030

unsigned long ultimaLectura = 0;
const long INTERVALO = 1000;

float energiaAcumulada = 0.0;
unsigned long ultimoTiempoEnergia = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("Medidor Electrico");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("Iniciando...");
  delay(2000);
  lcd.clear();
  
  emon1.current(ADC_PIN, CALIBRACION_CT);
  ultimoTiempoEnergia = millis();
}

void loop() {
  unsigned long ahora = millis();
  if (ahora - ultimaLectura >= INTERVALO) {
    ultimaLectura = ahora;
    
    double Irms = emon1.calcIrms(1480); // 1480 muestras
    double potencia = Irms * VOLTAJE_RED;
    
    // Energía en Wh (asumiendo carga constante en el intervalo)
    float deltaT = (ahora - ultimoTiempoEnergia) / 3600000.0; // horas
    energiaAcumulada += potencia * deltaT;
    ultimoTiempoEnergia = ahora;
    
    // Mostrar en LCD
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0,0);
    lcd.print("Potencia: ");
    lcd.print(potencia, 1);
    lcd.print(" W");
    lcd.setCursor(0,1);
    lcd.print("Corriente: ");
    lcd.print(Irms, 2);
    lcd.print(" A");
    lcd.setCursor(0,2);
    lcd.print("Energia: ");
    lcd.print(energiaAcumulada, 1);
    lcd.print(" Wh");
    lcd.setCursor(0,3);
    lcd.print("Coste: ");
    float coste = energiaAcumulada * 0.15 / 1000; // 0.15 €/kWh
    lcd.print(coste, 4);
    lcd.print(" EUR");
    
    // Depuración por serial
    Serial.print("Potencia: "); Serial.print(potencia); Serial.println(" W");
    Serial.print("Energia: "); Serial.print(energiaAcumulada); Serial.println(" Wh");
  }
}

El código utiliza la librería EmonLib, que implementa el algoritmo de muestreo de corriente alterna para calcular el valor RMS. La función 'calcIrms' toma 1480 muestras (aproximadamente un ciclo de 50 Hz con 20 muestras por ciclo) y devuelve la corriente eficaz. La potencia se calcula multiplicando por el voltaje de red asumido (230 V). Para una medición más precisa, se puede añadir un sensor de voltaje ZMPT101B y modificar el código para leer ambos canales. La energía acumulada se calcula integrando la potencia en el tiempo, y el coste se estima con una tarifa eléctrica típica.

Calibración y Precisión del Medidor

La precisión del medidor depende de varios factores: la tolerancia del sensor CT, la estabilidad del voltaje de referencia del ADC (3.3 V del ESP32), el ruido eléctrico y el algoritmo de cálculo. Para calibrar, necesitas una carga conocida, como una bombilla incandescente de 100 W. Conecta la carga al medidor y compara la lectura de potencia con el valor nominal. Ajusta el factor de calibración (CALIBRACION_CT) hasta que la lectura coincida. Por ejemplo, si el sensor SCT-013-030 tiene una sensibilidad de 1 V/30 A, el factor teórico es 30. Sin embargo, debido a tolerancias, puede variar entre 28 y 32.

Además, el offset de 2.5 V debe ser preciso. Mide el voltaje en el pin ADC sin carga; debe ser aproximadamente 1.65 V (la mitad de 3.3 V). Si no es así, ajusta las resistencias del divisor. El ruido de alta frecuencia se reduce con un condensador de 100 nF en el pin ADC. Para mejorar la precisión, puedes implementar un filtro de media móvil en el código, promediando varias lecturas. La librería EmonLib ya incluye un filtro interno, pero puedes aumentar el número de muestras (hasta 2000) para reducir el ruido a costa de tiempo de respuesta.

Errores Comunes y Soluciones

Durante la construcción y puesta en marcha, es frecuente encontrarse con problemas que impiden lecturas correctas. El error más común es una lectura de corriente siempre cero. Esto suele deberse a una mala conexión del sensor CT: el cable de señal no está haciendo contacto, o el jack no está bien insertado. Verifica con un multímetro que el CT genera un voltaje AC cuando pasa corriente por el núcleo. Otro problema es la saturación del ADC: si la corriente es demasiado alta para el rango del CT, la señal supera los 3.3 V y el ADC satura. En ese caso, usa un CT de mayor rango o reduce la resistencia de carga.

La pantalla LCD no muestra nada o muestra caracteres extraños. Esto puede deberse a una dirección I2C incorrecta. La dirección más común es 0x27, pero puede ser 0x3F. Usa un escáner I2C para detectarla. También verifica que los pines SDA y SCL estén correctamente conectados y que la alimentación sea de 5V. Si la pantalla se queda en blanco, ajusta el contraste con el potenciómetro del módulo I2C. Por último, si las lecturas de potencia fluctúan mucho, aumenta el número de muestras en calcIrms o añade un condensador de mayor valor (10 µF) en el pin ADC.

• Lectura de corriente siempre cero: Verifica conexión del CT, prueba con un multímetro en AC.
• Pantalla LCD sin funcionar: Escanea dirección I2C, comprueba alimentación y contraste.
• Fluctuaciones en la potencia: Aumenta muestras, añade condensador de 10 µF en ADC.

Comparativa: Medidor DIY vs. Soluciones Comerciales

Existen en el mercado múltiples monitores de energía como Shelly EM, Sense, o los basados en IoT de TP-Link. A continuación, se presenta una comparativa detallada entre nuestro proyecto DIY y dos opciones comerciales populares: Shelly EM (monitorización local con app) y Sense (monitorización en la nube con IA). La tabla evalúa aspectos clave como coste, privacidad, precisión, facilidad de instalación y funcionalidades.

El proyecto DIY destaca por su bajo coste y privacidad total, pero requiere conocimientos de electrónica y programación. Shelly EM ofrece un equilibrio entre precio y funcionalidades, con opción de funcionamiento local. Sense es caro y depende de la nube, pero proporciona análisis avanzados. Para un aficionado al DIY, nuestro medidor es la opción más educativa y personalizable.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

Conclusiones y Recomendaciones Finales

Construir tu propio medidor de consumo eléctrico con ESP32 y pant