Capteur de température autonome sur batterie solaire pour IoT

Concevoir un capteur de température extérieur autonome à énergie solaire : Un guide pratique

Le développement de capteurs sans fil autonomes, capables de fonctionner sans alimentation externe ni maintenance régulière, présente un intérêt considérable pour les projets IoT et les systèmes de surveillance. Cet article fournit un guide détaillé sur la construction d'un thermomètre sans fil extérieur qui s'auto-alimente grâce à un panneau solaire. Une attention particulière est portée aux défis liés à l'alimentation électrique dans des conditions de faible luminosité, à la sélection des composants et à l'optimisation de la consommation pour assurer un fonctionnement fiable et durable de l'appareil.

Défis et solutions pour l'alimentation autonome

Le principal défi dans le développement d'un capteur autonome est d'assurer une alimentation stable, en particulier dans des conditions d'éclairage variables. Pour le thermomètre extérieur développé dans ce projet, l'objectif était de créer un système capable de fonctionner à l'énergie solaire, de la stocker et de l'utiliser efficacement. Nous avons opté pour un panneau solaire de 90 mm avec un revêtement PET, offrant une résistance aux UV. Bien que les spécifications annoncées (4,5V, 100mA) soient rarement atteintes, des mesures réelles de 80mA et une tension à vide (FEM) allant jusqu'à 5,5V en plein soleil se sont avérées suffisantes pour une charge de base.

Des supercondensateurs (ionistors) d'une capacité totale de 10F ont été choisis comme stockage d'énergie interne. Leurs avantages incluent une longue durée de vie et la capacité de se charger sur une large plage de températures, de -40 à +50 °C. Les calculs ont montré que pour assurer un fonctionnement de 24 heures sans recharge, avec une consommation moyenne du circuit d'environ 220 µA (pour une période de mesure de 256 secondes), une capacité d'environ 7,6F est nécessaire. Deux supercondensateurs de 5F connectés en parallèle fournissent la réserve nécessaire. La tension maximale aux bornes des supercondensateurs est fixée à 5V pour maximiser l'énergie stockée.

Un problème clé était d'assurer la charge par temps nuageux, lorsque le panneau solaire ne délivre que 2-3,5V et 0,1-1mA. Dans de telles conditions, les convertisseurs élévateurs standard (par exemple, NCP1402SN50T1G, ZXSC310, MCP1640) peuvent rester bloqués à leur tension de seuil de démarrage, consommant tout le courant disponible sans charger les supercondensateurs. Pour résoudre ce problème, un système intelligent d'accumulation de pré-charge a été développé, incluant les condensateurs C8-C11 et un comparateur à hystérésis construit avec les transistors VT7-VT9 et une diode Zener VD6 (dans ce cas, une LED verte). Ce circuit permet au convertisseur DA2 de démarrer uniquement lorsqu'il y a une tension suffisante sur les condensateurs d'accumulation, permettant une charge 'par rafales' des supercondensateurs même avec une production d'énergie minimale du panneau solaire. Le seuil de déclenchement inférieur du comparateur est fixé à 1V, ce qui est supérieur au seuil de 'blocage' du convertisseur, évitant ainsi un fonctionnement inefficace.

• Panneau solaire : 90 mm, revêtement PET, jusqu'à 80 mA.
• Stockage d'énergie : Supercondensateurs 10F (2x5F en parallèle), tension de fonctionnement jusqu'à 5V.
• Convertisseur élévateur : NCP1402SN50T1G.
• Régulateur LDO : LP5907MFX-3.3.
• Système de charge intelligent : Comparateur à hystérésis pour les conditions de faible luminosité.
• Plage de température : -40…+50 °C.
• Autonomie sans recharge : ~30 heures.

Des tests pratiques ont montré que les supercondensateurs se chargent à un rythme de 100-150 mV par heure même par le temps le plus inclément. En automne et en hiver, ils gagnent plus de 1V pendant les heures de clarté, et les jours typiques, ils sont entièrement chargés à midi. Tout au long de l'opération, la tension aux bornes des supercondensateurs n'est jamais descendue en dessous de 3,2V, confirmant l'efficacité du système développé.

Microcontrôleur et capteurs : Sélection et optimisation

Le microcontrôleur (MCU) PIC16F1825 a été utilisé, car il était facilement disponible, bien qu'un PIC16LF1825, plus économe en énergie, aurait été préférable. Cependant, le principal consommateur d'énergie du système est l'émetteur-récepteur JDY-40, qui consomme jusqu'à 40mA en mode transmission et 24mA en mode réception. Pour minimiser la consommation d'énergie, l'émetteur-récepteur n'est activé que pendant 2 secondes : 1 seconde pour transmettre les données mesurées (température, pression, humidité) et 1 seconde pour recevoir les paramètres (adresse, canal, puissance, fréquence de mesure). Après cela, le MCU entre en mode veille pendant 256 secondes, utilisant un timer WDT pour le réveil. L'absence d'accusé de réception et de retransmission est un choix délibéré pour économiser de l'énergie, bien qu'une telle fonctionnalité puisse être implémentée si nécessaire.

Pour assurer une transmission précise des données UART sur une large plage de températures, l'oscillateur du microcontrôleur est stabilisé par quartz. Le BME280 a été choisi comme capteur principal, permettant des mesures de température, d'humidité et de pression atmosphérique. Bien que le BME280 ne soit pas une solution idéale pour une utilisation en extérieur en raison de sa sensibilité à l'humidité, sa fonctionnalité complète a compensé cet inconvénient. De plus, l'intensité lumineuse est mesurée en unités arbitraires, et le capteur intégré du MCU fournit la température comme source de données de secours.

Pour une optimisation supplémentaire de la consommation d'énergie, un mode d'économie d'énergie est implémenté : si la tension aux bornes des supercondensateurs tombe en dessous de 3V, l'intervalle de mesure et de transmission des données double à 512 secondes. La carte du capteur est construite sur un PCB double face de 100x23 mm, permettant un agencement compact de tous les composants.

Construction et protection du capteur pour une utilisation extérieure

La conception mécanique du capteur, réalisée selon une approche de 'technologie de tuyauterie d'évacuation', offre une protection essentielle contre les influences externes et une isolation thermique. Elle se compose de quatre éléments principaux :

• Boîtier de support externe : Un té en polypropylène 63x25x63, qui sert également de bouclier thermique.
• Boîtier interne : Un raccord de tuyau d'évacuation de 32 mm avec des bouchons d'extrémité, abritant la carte du capteur.
• Couvercle : Un couvercle de pot de crème pour les mains, sur lequel le panneau solaire est monté.
• Poteau de montage avec support : Une section de tuyau en polypropylène de 25 mm et un support de drapeau générique pour le montage.

Le panneau solaire est fixé au couvercle, et la connexion à la carte du capteur est réalisée avec un câble à deux conducteurs, inséré fermement dans le couvercle pour créer une entrée de câble étanche improvisée. Une libre circulation de l'air est assurée entre les boîtiers externe et interne, et des trous sont percés dans le boîtier interne pour la ventilation autour du capteur BME280. Pour l'étanchéité, le PCB est recouvert de trois couches de vernis PLASTIK 71. Il est important d'éviter que le vernis ne pénètre dans la petite ouverture du capteur BME280.

Cette conception démontre comment, en utilisant des matériaux facilement disponibles et des solutions d'ingénierie bien pensées, un capteur autonome fiable et durable pour la surveillance environnementale peut être créé. Le projet souligne l'importance d'une approche holistique du développement, incluant l'optimisation de la consommation d'énergie, la sélection de composants résistants aux conditions externes et une protection mécanique adéquate.

Points clés à retenir

• Alimentation électrique efficace : Un système de panneau solaire et de supercondensateurs avec gestion intelligente de la charge a été développé, permettant un fonctionnement même dans des conditions de faible luminosité et des températures allant jusqu'à -40°C.
• Optimisation de la consommation : L'utilisation d'un microcontrôleur économe en énergie, le fonctionnement pulsé du module radio et un mode d'économie d'énergie pour une faible charge garantissent un fonctionnement autonome prolongé.
• Sélection des capteurs : Le BME280 est utilisé pour les mesures de température, d'humidité et de pression, en tenant compte de ses spécificités d'application extérieure, ainsi qu'un capteur de secours dans le MCU.
• Construction robuste : Utilisation de matériaux facilement disponibles et de l'approche "tuyauterie d'évacuation" pour créer un boîtier durable, étanche et thermiquement isolé.
• Fonctionnement à long terme : Le système a démontré une grande fiabilité et des performances stables, maintenant les niveaux de charge des supercondensateurs même dans des conditions météorologiques défavorables.

— Editorial Team