Autonomer Temperatursensor auf Solarbatterie für IoT

Bau eines autonomen solarbetriebenen Außentemperatursensors: Eine praktische Anleitung

Die Entwicklung autonomer drahtloser Sensoren, die ohne externe Stromversorgung und regelmäßige Wartung betrieben werden können, ist für IoT-Projekte und Überwachungssysteme von großem Interesse. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Anleitung zum Bau eines drahtlosen Außenthermometers, das sich selbst über ein Solarpanel mit Strom versorgt. Besonderes Augenmerk wird auf die Bewältigung von Stromversorgungsproblemen bei schlechten Lichtverhältnissen, die Auswahl der Komponenten und die Verbrauchsoptimierung gelegt, um einen langfristigen, zuverlässigen Gerätebetrieb zu gewährleisten.

Herausforderungen und Lösungen bei der autonomen Stromversorgung

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung eines autonomen Sensors ist die Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung, insbesondere unter wechselnden Lichtverhältnissen. Für das in diesem Projekt entwickelte Außenthermometer bestand das Ziel darin, ein System zu schaffen, das mit Solarenergie betrieben werden kann, diese speichert und effizient verbraucht. Wir entschieden uns für ein 90-mm-Solarpanel mit PET-Beschichtung, das UV-Beständigkeit bietet. Obwohl die angegebenen Spezifikationen (4,5 V, 100 mA) selten erreicht werden, erwiesen sich reale Messungen von 80 mA und eine Leerlaufspannung (EMK) von bis zu 5,5 V bei Sonnenlicht als ausreichend für die grundlegende Ladung.

Als interner Energiespeicher wurden Superkondensatoren (Ionistoren) mit einer Gesamtkapazität von 10 F gewählt. Ihre Vorteile umfassen eine lange Lebensdauer und die Fähigkeit, über einen weiten Temperaturbereich von -40 bis +50 °C geladen zu werden. Berechnungen ergaben, dass für einen 24-Stunden-Betrieb ohne Nachladung, bei einem durchschnittlichen Stromverbrauch der Schaltung von etwa 220 µA (bei einer Messperiode von 256 Sekunden), eine Kapazität von etwa 7,6 F erforderlich ist. Zwei parallel geschaltete 5-F-Superkondensatoren stellen die notwendige Reserve bereit. Die maximale Spannung an den Superkondensatoren ist auf 5 V eingestellt, um die gespeicherte Energie zu maximieren.

Ein Hauptproblem war die Sicherstellung des Ladens bei bewölktem Wetter, wenn das Solarpanel nur 2-3,5 V und 0,1-1 mA liefert. Unter solchen Bedingungen können Standard-Aufwärtswandler (z. B. NCP1402SN50T1G, ZXSC310, MCP1640) an ihrer Startschwellenspannung hängen bleiben und den gesamten verfügbaren Strom ziehen, ohne die Superkondensatoren zu laden. Um dies zu lösen, wurde ein intelligentes Vorlade-Akkumulationssystem entwickelt, das die Kondensatoren C8-C11 und einen Hysterese-Komparator umfasst, der mit Transistoren VT7-VT9 und einer Zenerdiode VD6 (in diesem Fall eine grüne LED) aufgebaut ist. Diese Schaltung ermöglicht es dem DA2-Wandler, nur dann zu starten, wenn an den Akkumulationskondensatoren eine ausreichende Spannung anliegt, was ein „Burst“-Laden der Superkondensatoren auch bei minimaler Energieerzeugung durch das Solarpanel ermöglicht. Die untere Auslöseschwelle des Komparators ist auf 1 V eingestellt, was über der „Hängenbleib“-Schwelle des Wandlers liegt und einen ineffizienten Betrieb verhindert.

• Solarpanel: 90 mm, PET-beschichtet, bis zu 80 mA.
• Energiespeicher: 10 F Superkondensatoren (2x5F parallel), Betriebsspannung bis 5 V.
• Aufwärtswandler: NCP1402SN50T1G.
• LDO-Regler: LP5907MFX-3.3.
• Intelligentes Ladesystem: Hysterese-Komparator für schlechte Lichtverhältnisse.
• Temperaturbereich: -40…+50 °C.
• Laufzeit ohne Nachladung: ~30 Stunden.

Praktische Tests zeigten, dass sich die Superkondensatoren selbst bei widrigstem Wetter mit einer Rate von 100-150 mV pro Stunde aufladen. Im Herbst und Winter gewinnen sie tagsüber über 1 V, und an typischen Tagen sind sie mittags vollständig geladen. Während des gesamten Betriebs fiel die Spannung an den Superkondensatoren nie unter 3,2 V, was die Wirksamkeit des entwickelten Systems bestätigt.

Mikrocontroller und Sensoren: Auswahl und Optimierung

Der Mikrocontroller (MCU) PIC16F1825 wurde verwendet, da er leicht verfügbar war, obwohl ein energieeffizienterer PIC16LF1825 vorzuziehen gewesen wäre. Der Hauptstromverbraucher im System ist jedoch der JDY-40 Transceiver, der im Sendemodus bis zu 40 mA und im Empfangsmodus 24 mA zieht. Um den Stromverbrauch zu minimieren, wird der Transceiver nur für 2 Sekunden aktiviert: 1 Sekunde für die Übertragung der Messdaten (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit) und 1 Sekunde für den Empfang von Einstellungen (Adresse, Kanal, Leistung, Messfrequenz). Danach wechselt der MCU für 256 Sekunden in den Schlafmodus und nutzt einen WDT-Timer zum Aufwachen. Das Fehlen von Bestätigung und Neuübertragung ist eine bewusste Entscheidung zur Energieeinsparung, obwohl eine solche Funktionalität bei Bedarf implementiert werden kann.

Um eine genaue UART-Datenübertragung über einen weiten Temperaturbereich zu gewährleisten, ist der Taktgeber des Mikrocontrollers quarzstabilisiert. Als primärer Sensor wurde der BME280 gewählt, der Temperatur-, Feuchtigkeits- und Luftdruckmessungen ermöglicht. Obwohl der BME280 aufgrund seiner Feuchtigkeitsempfindlichkeit keine ideale Lösung für den Außeneinsatz ist, überwog seine umfassende Funktionalität diesen Nachteil. Zusätzlich wird die Lichtintensität in willkürlichen Einheiten gemessen, und der eingebaute Sensor des MCU liefert Temperatur als Backup-Datenquelle.

Zur weiteren Optimierung des Stromverbrauchs wird ein Energiesparmodus implementiert: Fällt die Spannung an den Superkondensatoren unter 3 V, verdoppelt sich das Mess- und Datenübertragungsintervall auf 512 Sekunden. Die Sensorplatine ist auf einer doppelseitigen Leiterplatte mit den Maßen 100x23 mm aufgebaut, was eine kompakte Anordnung aller Komponenten ermöglicht.

Sensoraufbau und Schutz für den Außeneinsatz

Das mechanische Design des Sensors, das nach dem Prinzip der „Abwasserrohr-Technologie“ aufgebaut ist, bietet wesentlichen Schutz vor äußeren Einflüssen und Wärmeisolierung. Es besteht aus vier Hauptelementen:

• Äußeres Stützgehäuse: Ein 63x25x63 Polypropylen-T-Stück, das auch als Wärmeschutzschild dient.
• Inneres Gehäuse: Eine 32-mm-Abwasserrohrkupplung mit Endkappen, die die Sensorplatine beherbergt.
• Deckel: Ein Deckel eines Handcremetiegels, auf dem das Solarpanel montiert ist.
• Montagestange mit Halterung: Ein 25-mm-Polypropylenrohrabschnitt und ein handelsüblicher Fahnenhalter zur Montage.

Das Solarpanel ist am Deckel befestigt, und die Verbindung zur Sensorplatine erfolgt über ein zweiadriges Kabel, das fest in den Deckel eingeführt wird, um eine provisorische wasserdichte Kabeleinführung zu schaffen. Zwischen dem äußeren und inneren Gehäuse ist eine freie Luftzirkulation gewährleistet, und im inneren Gehäuse sind Löcher für die Belüftung um den BME280-Sensor herum angebracht. Zur Wasserdichtigkeit wird die Leiterplatte mit drei Schichten PLASTIK 71 Lack beschichtet. Es ist wichtig, dass kein Lack in die kleine Öffnung des BME280-Sensors gelangt.

Dieses Design zeigt, wie mit leicht verfügbaren Materialien und durchdachten technischen Lösungen ein zuverlässiger und langlebiger autonomer Sensor zur Umweltüberwachung geschaffen werden kann. Das Projekt unterstreicht die Bedeutung eines ganzheitlichen Entwicklungsansatzes, der die Optimierung des Stromverbrauchs, die Auswahl widerstandsfähiger Komponenten für äußere Bedingungen und einen angemessenen mechanischen Schutz umfasst.

Wichtige Erkenntnisse

• Effiziente Stromversorgung: Ein Solarpanel- und Superkondensatorsystem mit intelligentem Lademanagement wurde entwickelt, das den Betrieb selbst bei schlechten Lichtverhältnissen und Temperaturen bis -40 °C ermöglicht.
• Verbrauchsoptimierung: Der Einsatz eines energieeffizienten Mikrocontrollers, der gepulste Betrieb des Funkmoduls und ein Energiesparmodus bei niedrigem Ladezustand gewährleisten einen verlängerten autonomen Betrieb.
• Sensorauswahl: Der BME280 wird für Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druckmessungen verwendet, unter Berücksichtigung seiner spezifischen Anforderungen für den Außeneinsatz, zusammen mit einem Backup-Sensor im MCU.
• Robuste Konstruktion: Verwendung von leicht verfügbaren Materialien und der „Abwasserrohr-Technologie“ zur Schaffung eines langlebigen, abgedichteten und wärmeisolierten Gehäuses.
• Langzeitbetrieb: Das System hat eine hohe Zuverlässigkeit und stabile Leistung gezeigt, wobei die Ladezustände der Superkondensatoren auch unter widrigen Wetterbedingungen aufrechterhalten wurden.

— Editorial Team