Autonomní teplotní senzor na solární baterii pro IoT

Jak si vyrobit autonomní venkovní teplotní senzor na solární energii: Praktický průvodce

Vývoj autonomních bezdrátových senzorů, které jsou schopny fungovat bez externího napájení a pravidelné údržby, představuje značný zájem pro IoT projekty a monitorovací systémy. Tento článek podrobně popisuje proces vytvoření venkovního bezdrátového teploměru, který si sám generuje energii ze solárního panelu. Zvláštní pozornost je věnována řešení problémů s napájením za špatných světelných podmínek, výběru komponent a optimalizaci spotřeby pro zajištění dlouhodobého a spolehlivého provozu zařízení.

Výzvy autonomního napájení a jejich řešení

Hlavním úkolem při vývoji autonomního senzoru je zajistit stabilní napájení, zejména za proměnlivých světelných podmínek. Pro venkovní teploměr vyvinutý v rámci tohoto projektu bylo nutné vytvořit systém schopný pracovat na solární energii, akumulovat ji a efektivně ji spotřebovávat. Volba padla na solární panel o průměru 90 mm s PET povlakem, který zajišťuje odolnost proti UV záření. Ačkoli deklarované parametry (4,5V, 100 mA) jsou zřídka dosažitelné, reálné hodnoty 80 mA a elektromotorické napětí až 5,5V za slunečního svitu se ukázaly jako dostatečné pro základní nabíjení.

Jako vnitřní akumulátor energie byly zvoleny ionistory (superkondenzátory) s celkovou kapacitou 10F. Jejich výhody zahrnují dlouhou životnost a schopnost nabíjení v širokém teplotním rozsahu od -40 do +50 °C. Výpočty ukázaly, že pro zajištění 24hodinového provozu bez dobíjení při průměrné spotřebě obvodu kolem 220 µA (s periodou měření 256 sekund) je zapotřebí kapacita přibližně 7,6F. Dva ionistory po 5F, zapojené paralelně, poskytují potřebnou rezervu. Maximální napětí na ionistorech je nastaveno na 5V pro maximalizaci akumulované energie.

Klíčovým problémem bylo zajištění nabíjení za zataženého počasí, kdy solární panel dodává pouze 2-3,5V a proud 0,1-1 mA. Za těchto podmínek standardní zvyšující měniče (například NCP1402SN50T1G, ZXSC310, MCP1640) mohou „zamrznout“ na prahovém spouštěcím napětí, spotřebovávat veškerý dostupný proud a nenabíjet ionistory. Pro vyřešení tohoto problému byl vyvinut inteligentní systém předběžné akumulace náboje, zahrnující kondenzátory C8-C11 a komparátor s hysterezí na tranzistorech VT7-VT9 a Zenerově diodě VD6 (v tomto případě – zelená LED). Tento obvod umožňuje spuštění měniče DA2 pouze při dostatečné úrovni napětí na akumulačních kondenzátorech, čímž zajišťuje „dávkové“ nabíjení ionistorů i při minimální produkci energie solárním panelem. Dolní práh spuštění komparátoru je nastaven na 1V, což je nad prahem „zamrznutí“ měniče, čímž se eliminuje neefektivní provoz.

• Solární panel: 90 mm, PET povlak, až 80 mA.
• Akumulátor energie: Ionistory 10F (2x5F paralelně), pracovní napětí do 5V.
• Zvyšující měnič: NCP1402SN50T1G.
• LDO stabilizátor: LP5907MFX-3.3.
• Inteligentní systém nabíjení: Komparátor s hysterezí pro provoz za nízkého osvětlení.
• Teplotní rozsah: -40…+50 °C.
• Doba provozu bez dobíjení: ~30 hodin.

Praktické testy ukázaly, že ionistory se nabíjejí rychlostí 100-150 mV za hodinu i za nejhoršího počasí. Během podzimního a zimního období získají více než 1V za denního světla a v běžné dny se plně nabijí do poledne. Během provozu napětí na ionistorech nikdy nekleslo pod 3,2V, což potvrzuje účinnost vyvinutého systému.

Mikrokontrolér a senzory: výběr a optimalizace

Jako mikrokontrolér (MCU) byl použit PIC16F1825, který byl k dispozici, ačkoli energeticky úspornější PIC16LF1825 by byl vhodnější. Hlavním spotřebitelem energie v systému je však transceiver JDY-40, který spotřebovává až 40 mA v režimu vysílání a 24 mA v režimu příjmu. Pro minimalizaci spotřeby energie je transceiver aktivován pouze na 2 sekundy: 1 sekunda pro přenos naměřených dat (teplota, tlak, vlhkost) a 1 sekunda pro příjem nastavení (adresa, kanál, výkon, frekvence měření). Poté MCU přejde do režimu spánku na 256 sekund, přičemž pro probuzení využívá WDT časovač. Absence potvrzení a opakovaného přenosu dat je dána úsporou energie, ačkoli taková funkcionalita může být v případě potřeby implementována.

Pro zajištění přesnosti přenosu dat přes UART v širokém teplotním rozsahu je taktovací generátor mikrokontroléru stabilizován křemenným rezonátorem. Jako hlavní senzor byl vybrán BME280, který umožňuje měřit teplotu, vlhkost a atmosférický tlak. Přestože BME280 není ideálním řešením pro venkovní použití kvůli své citlivosti na vlhkost, jeho funkčnost tento nedostatek převážila. Dále se měří osvětlení v relativních jednotkách a také teplota vestavěným senzorem MCU jako záložním zdrojem dat.

Pro další optimalizaci spotřeby energie je implementován režim úspory energie: při poklesu napětí na ionistorech pod 3V se interval měření a přenosu dat zdvojnásobí na 512 sekund. Deska senzoru je vyrobena na oboustranné desce plošných spojů o rozměrech 100x23 mm, což umožňuje kompaktní umístění všech komponent.

Konstrukce a ochrana senzoru pro venkovní použití

Mechanická konstrukce senzoru, provedená na principu „kanalizační trubkové technologie“, zajišťuje nezbytnou ochranu proti vnějším vlivům a tepelnou izolaci. Skládá se ze čtyř hlavních prvků:

• Vnější nosný kryt: Polypropylenová odbočka 63x25x63, která slouží také jako tepelný štít.
• Vnitřní kryt: Kanalizační spojka 32 mm se zátkami, kde je umístěna deska senzoru.
• Víčko: Víčko od kelímku krému na ruce, na kterém je instalován solární panel.
• Tyč s držákem: Kus PP trubky 25 mm a čínský držák vlajky pro upevnění.

Solární panel je připevněn k víčku a spojení s deskou senzoru je provedeno dvouvodičovým kabelem, pevně zasunutým do víčka pro zajištění provizorního kabelového průchodu. Mezi vnějším a vnitřním krytem je zajištěna volná cirkulace vzduchu a ve vnitřním krytu jsou otvory pro ventilaci kolem senzoru BME280. Pro hydroizolaci je deska plošných spojů pokryta třemi vrstvami laku PLASTIK 71. Je důležité zabránit vniknutí laku do malého otvoru senzoru BME280.

Tato konstrukce ukazuje, jak lze s použitím dostupných materiálů a promyšlených inženýrských řešení vytvořit spolehlivý a odolný autonomní senzor pro monitorování životního prostředí. Projekt zdůrazňuje důležitost komplexního přístupu k vývoji, který zahrnuje optimalizaci spotřeby energie, výběr komponent odolných vůči vnějším podmínkám a adekvátní mechanickou ochranu.

Co je důležité

• Efektivní napájení: Vyvinutý systém se solárním panelem a ionistory s inteligentním řízením nabíjení umožňuje fungovat i za nízkého osvětlení a při teplotách až do -40°C.
• Optimalizace spotřeby: Použití energeticky úsporného mikrokontroléru, pulzního režimu rádiového modulu a úsporného režimu při nízkém nabití zajišťuje dlouhodobý autonomní provoz.
• Výběr senzorů: Použití BME280 pro měření teploty, vlhkosti a tlaku, s ohledem na jeho specifika pro venkovní použití, a záložní senzor v MCU.
• Spolehlivá konstrukce: Použití dostupných materiálů a „kanalizační trubkové technologie“ pro vytvoření pevného, hermetického a tepelně izolovaného pouzdra.
• Dlouhodobý provoz: Systém prokázal vysokou spolehlivost a stabilitu provozu, udržující úroveň nabití ionistorů i za nepříznivých povětrnostních podmínek.

— Editorial Team