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Solar Power System für IoT-Knoten

Das 0.3 Watt, 3.3 Volt Solar Power System von Voltaic Systems versorgt LoRa- und andere Low-Power IoT-Knoten kontinuierlich mit Energie.
Zum Lieferumfang gehören:
– IP67 wasserdichtes Gehäuse mit Montageset für Mastmontage
– 0.3 Watt, 6 Volt Solar Panel montiert auf das Gehäuse
– 250 F Lithium Ion Capacitor Solar Charger mit 3.3 V DC Ausgangsspannung

In der Regel findet man als Energiespeicher LiPo-Akkus. Für Geräte mit sehr niedrigem Stromverbrauch (350 μA bei 3.3 V) verwendet Voltaic Systems einen Lithium-Ionen-Kondensator (LIC) als Speicher.  LICs kosten zwar mehr pro Wattstunde und haben eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien, haben aber einen viel breiteren Temperaturbereich, können weitaus mehr Zyklen durchlaufen und weisen keine Sicherheitsprobleme auf.

Das bedeutet, dass das System länger in Betrieb bleibt, insbesondere unter extremen Bedingungen. Außerdem muss man sich um den Transport des Systems viel weniger Sorgen machen. Weitere Detail finden Sie unter https://blog.voltaicsystems.com/things-network-presentation-using-solar-to-power-a-lora-node/.

Auf der Grundlage von LoRa lassen sich IoT-Knoten mit geringem Stromverbrauch realisieren. Die Verwendung von WiFi ist aufgrund des höheren Stromverbrauchs während der Übertragung komplexer.
Mit dem ePulse – Low Power ESP32 Entwicklungsboard können Sie den Stromverbrauch durch die Implementierung längerer Tiefschlafphasen erheblich reduzieren. Die folgende Abbildung zeigt das hier verwendete ESP32-Board.

ePulse – Low Power ESP32 Development Board

Der mittlere Stromverbrauch wird nach folgender Gleichung berechnet:

op kennzeichnet die Betriebsphase (WiFi-Übertragung) und DS die Tiefschlafphase des verwendeten Mikrocontrollers. Informationen zum Deep Sleep des ESP32 finden Sie u.a. im Beitrag How to Put an ESP32 into Deep Sleep.

Für lange Deep Sleep Zeiten (tDS >> top) gilt vereinfacht die Beziehung:

Das bedeutet, dass der resultierende Strombedarf um das Verhältnis von Betriebszeit zu Tiefschlafzeit sinkt. Für das oben erwähnte ESP32-Board erhalten wir mit Iop = 110 mA, top = 4 s, IDS = 25 uA und tDS = 1796 s einen Mittelwert der Stromaufnahme von 270 uA.
Für Umweltdaten ist ein Messzyklus von 30 Minuten akzeptabel, und die Stromversorgung sollte
ausreichend sein.

Mit dem Programm LilyGo_T-OI_Plus_Voltaic_Battery_Monitor.ino habe ich einen Langzeittest gestartet, bei dem die Spannung am LIC erfasst und alle 30 min in eine InfluxDB-Datenbank eingetragen wird.

Das folgende Bild zeigt den Verlauf der LIC-Spannung über die letzten 24 h an einem sonnigen Tag. Es ist deutlich zu erkennen, dass  morgens gegen 9:00 die Spannung durch die Sonneneinstrahlung steigt. Bis gegen 15:00 war das Solarpanel eher beschattet, danach wurde es direkt von der Sonne bestrahlt.

Die Datenübertragung über WiFi stellt im gewissen Sinn eine Worst-Case-Betrachtung dar, da mit anderen Übertragungsarten, wie ESPNow, LoRa etc., wesentlich günstigere Ausgangsbedingungen existieren.

Für den Ausseneinsatz habe ich  den IoT-Knoten noch um einen Temperatursensor DS18B20 erweitert.

Solarbetriebener IoT-Knoten mit Temperatursensor DS18B20

Im Programm LilyGo_T-OI_Plus_Voltaic_Battery_Monitor.ino bedarf es nur weniger Codezeilen für den DS18B20, da  geeignete Libaries zur Verfügung stehen. Der Langzeittest wird also mit dem erweiterten Programm weitergeführt. Es werden die Spannung am LIC und die Aussentemperatur erfasst und alle 30 min in eine InfluxDB-Datenbank eingetragen. Die visualisierten Daten sind im folgenden Screenshot zu sehen, der ab und an aktualisiert wird.

Wie der Temperaturverlauf im unteren Diagramm zeigt, ist immer noch Hochsommer mit Temperaturen bis zu 40 °C bei direkter Sonnenbestrahlung des Temperatursensors.

Am 24.08. und 25.08 (hier nicht mehr dargestellt) brach nachts die Kommunikation ab. Die Ursache lag beim Schliessen der elektrisch stark dämpfenden Terassentür. Der Standort des Devices war zwar bezüglich der Bestrahlung durch die Sonne optimal, was eine rasche Aufladung zur Folge hatte. Bezüglich der WiFi-Reichweite war der Standort nicht optimal.

Es ist also besonders wichtig, eine unterbrechungsfreie WiFi-Übertragung sicherzustellen oder im Programm, diese zu erkennen und zuviele (ergebnislose) Verbindungsversuche zu unterbinden. Ein (z.B. gewitter-bedingter) Stromausfall, der den Router deaktiviert, zeigt die gleichen Folgen.


Im September war es mit dem Sommerwetter vorbei und es schloss sich eine Regenperiode an, die ein vernünftiges Nachladen des LIC nicht zuliess. Der Spannungsverlauf zeigte sich gemäss dem folgenden Bild, wobei es teilweise Kommunikationsabbrüche gab. Erst nach dem Erreichen einer Mindestspannung am LIC wurde die Kommunikation wieder aufgenommen.

Fazit:

Eine Verbesserung des Ladezustands ist erforderlich und kann durch die folgenden Massnahmen erreicht werden:

  • Optimierung des Standortes resp. bessere Ausrichtung zur Sonneneinstrahlung
  • Ersatz der WiFi-Kommunikation durch ESPNow oder LoRaWAN/LoRaP2P
  • Vergrösserung des Sendeintervalls

Durch die Optimierung des Standortes konnte ein ordentliches Nachladen erreicht werden, auch wenn nicht jeden Tag optimale Sonneneinstrahlung vorgeherrscht hat.


2022-11-12/CK

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Veröffentlicht von ckuehnel

Mein aktuelles Profil ist unter https://www.linkedin.com/in/ckuehnel zu finden.

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