Stromversorgung: IoT Smart Home Devices netzunabhängig betreiben.

Zentraler Bestandteil unserer NEOE-IOT-Kits sind, je nach Kit, eines der beiden folgenden Entwicklungsboards:

  • D1 Mini (mit ESP8266-Prozessor)
  • LOLIN32 (mit ESP32-Prozessor)

Beide Entwicklungsboards besitzen einen Mikro-USB-Anschluss und können somit einfach mit einem herkömmlichen USB-Ladegerät betrieben werden. Solch ein Betrieb via USB-Ladegerät ist in der Regel die am häufigsten genutzte Option.

Es gibt jedoch Situationen, in denen keine Steckdose in der Nähe ist und das NEOE-IOT-Kit trotzdem funktionieren soll. Ein Beispiel ist unser Bodenfeuchtesensor zur Überwachung von Pflanzen.

Dafür bieten sich folgende Optionen des Akkubetriebs an:

Akkubetrieb: Optionen

Neben dem Betrieb mit einer Powerbank ist manchmal auch der Betrieb mit NiMH-Akkus sinnvoll. Betrachten wir die Optionen im Detail:

Betrieb mit einer Powerbank

Dies ist die einfachste, jedoch auch teuerste Variante.

Außerdem benötigt eine Powerbank auch zusätzlichen Platz.

Somit ist diese Option für einen Dauereinsatz, möglicherweise auch in einem per 3D-Drucker selbst produzierten Gehäuse, weniger elegant.

Vorteil einer Powerbank ist jedoch die hohe Energiedichte und einfache Handhabung.

Für einen Testbetrieb ist dies daher eine gute Option.

Betrieb mit einem LiPo-Akku

Separate LiPo-Akkus, wie sie z.B. auch bei Drohnen genutzt werden, zeichnen sich auch durch eine hohe Energiedichte aus. Das LOLIN32-Board bietet sogar einen LiPo-Akkuanschluss an.

Im Dauerbetrieb erachten wir LiPo-Akkus jedoch als zu gefährlich, denn LiPo-Akkus können Feuer fangen oder explodieren. Daher sind LiPo-Akkus, die man für Drohnen nutzt, auch in sogenannten feuerfesten Akku-Safes zu verwahren.

Wir raten von einer Nutzung von LiPo-Akkus im Smart-Home Bereich dann ab, wenn man nicht laufend in der Nähe ist und ein möglicherweise ausbrechendes Feuer löschen kann.

Somit ist der Einsatz von LiPo-Akkus aus unserer Sicht weniger praktikabel bzw. kann sogar im wahrsten Sinne des Wortes brandgefährlich sein.

Betrieb mit NiMH-Akkus

NiMH-Akkus sind zwar etwas größer und schwerer als LiPo-Akkus. Dafür sind sie kostengünstiger und sicherer.

Der ESP32-Prozessor des im weiteren Verlauf empfohlenen LOLIN32 kann mit Spannungen von 2,3 V bis 3,6 V betrieben werden. Drei NiMH-Akkus mit jeweils 1,2 V haben in Summe eine Spannung von 3,6 V und können daher an den 3 V Eingang des Entwicklungsboards angeschlossen werden.

Der Betrieb mit drei Mignon (AA) NiMH-Akkus ist aus unserer Sicht die nachhaltigste Lösung.

Aufgrund des günstigen Preises empfehlen wir hier, Markenprodukte (z.B. VARTA) zu kaufen, um auf der sicheren Seite zu sein.

Hard- und softwareseitige Optimierung

Damit der Betrieb mit NiMH-Akkus lange Freude bereitet, und die Akkus nicht schon nach wenigen Stunden leer sind, muss das entsprechende NEOE-IOT-Kit hard- und softwareseitig optimiert werden.

Hier gibt es folgende Möglichkeiten der Optimierung:

DeepSleep Modus nutzen

Zunächst kann der DeepSleep Modus des Mikroprozessors genutzt werden.

Je größer die DeepSleep-Phasen zwischen den einzelnen Messungen sind, umso geringer ist der Stromverbrauch.

Darüber hinaus kann bei Bedarf auch die Stromversorgung der Sensoren softwareseitig ein- und ausgeschaltet werden, um weiter Strom zu sparen.

Auswahl stromsparender Komponenten

Laut unserer Messungen braucht der LOLIN32 im DeepSleep Modus etwas weniger Strom als der D1 Mini: 

  • DeepSleep Stromverbrauch D1 Mini: ca. 260 µA
  • DeepSleep Stromverbrauch LOLIN32: ca. 150 uA

Somit bevorzugen wir den LOLIN32 für den autonomen Betrieb. Die Akkus halten mit einem LOLIN32 also fast doppelt so lange, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen.

Kein Dauerbetrieb von Displays 

Eine laufend leuchtende LED, ein LCD- oder OLED-Display verbrauchen für einen Akkubetrieb aus unserer Sicht auch zu viel Strom. Daher ist es sinnvoll, dass für den autonomen Betrieb vorgesehene IOT Smart-Home Devices kein LCD- oder OLED-Display haben. Eine LED sollte z.B. nur blinken, um einen "Ausnahmezustand" (z.B. dringend Pflanze gießen) zu signalisieren.

Stromversorgung der Sensoren bei Nichtgebrauch abschalten

Viele Sensoren brauchen auch Strom für den Betrieb. Der kapazitive Bodenfeuchtesensor beispielweise hat einen Strombedarf von ca. 3,5 mA. Daher sollte deren Stromversorgung über die GPIO-Pins des Entwicklungsboards nur bei Bedarf eingeschaltet und nach erfolgter Messung (wo technisch möglich und sinnvoll) wieder ausgeschaltet werden.

Rechenbeispiel

NEOE-IOT-Kit: Bodenfeuchtesensor zur Überwachung von Pflanzen

Für diesen Sensor reicht eine Messung pro Stunde aus, da Pflanzen das verfügbare Wasser in der Regel langsam aufbrauchen.

Betrachten wir die Parameter im Detail:

  • Stromverbrauch LOLIN32 im DeepSleep-Modus: ca. 150 µA (0,15 mA).
  • Stromverbrauch im Messbetrieb: ca. 75 mA (LOLIN32 Entwicklungsboard und kapazitiver Bodenfeuchtesensor).
  • Dauer der Messung: ca. 7 Sekunden (je nachdem, wie schnell die Verbindung zu WLAN und MQTT-Server hergestellt wird).
  • Kapazität unserer VARTA NiMH-Akkus: 2100 mAh.

Auf Basis dieser Parameter können wir die mögliche Akkulaufzeit berechnen:

  • In Summe durchschnittlicher Stromverbrauch (vereinfachte Rechnung): 0,15 mA + ((75 mA x 7 Sekunden) ÷ (60 Sekunden x 60 Minuten)) = ca. 0,3 mA
  • Akkulaufzeit (Stunden): 2100 mAh ÷ 0,3 mA = ca. 7000 Stunden
  • Oder ca. 292 Tage (7000 Stunden ÷ 24 Stunden pro Tag)
  • Oder ca. 9,7 Monate (7000 Stunden ÷ (24 Stunden pro Tag x 30 Tage pro Monat))

Volle Autonomie mit Solarzelle

Wird der oben erwähnte Bodenfeuchtesensor im Außenbetrieb genutzt, so ist sicherlich eine volle Autonomie wünschenswert. Dazu können wir den Bodenfeuchtesensor mit einer Solarzelle und einem Ladereglermodul ergänzen. Natürlich müssen dann alle Bauteile in ein regendichtes Gehäuse untergebracht werden (aktuell nicht Bestandteil der Bausätze).

Der Solarbetrieb funktioniert an sonnigen Tagen und bei direkter Sonneneinstrahlung gut. An bewölkten Tagen produzieren Solarzellen jedoch fast keinen Strom. Daher ist es wichtig, dass sowohl Akkus als auch Solarzelle so ausgelegt sind, dass einerseits mehrtägige wolkige Zeiträume überbrückt werden und andererseits die Akkus an einem sonnigen Tag ausreichend an Ladung dazugewinnen.

Unser NEOE-Bausatz, "Erweiterung für Solarbetrieb" enthält neben Akkufach und Laderegler eine 60 mA Solarzelle. 

Der Bodenfeuchtesensor verbraucht am Tag 0,3 mA x 24 Stunden = ca. 9,6 mA. 

Bei durchschnittlich 4 Sonnenstunden pro Tag im Deutschland sollte zumindest im Außenbetrieb genügend Puffer für eine volle Autonomie gegeben sein.

Bei einem Betrieb am Fester (mit weniger Sonneneinstrahlung und weniger Sonnenstunden) wird zumindest die Akkulaufzeit weiter erhöht.

 

 

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