Autonomiczny czujnik temperatury na baterii słonecznej dla IoT

Budowa autonomicznego czujnika temperatury zewnętrznej zasilanego energią słoneczną: praktyczny przewodnik

Rozwój autonomicznych czujników bezprzewodowych, zdolnych do pracy bez zewnętrznego zasilania i regularnej konserwacji, budzi znaczne zainteresowanie w projektach IoT i systemach monitoringu. W tym artykule przedstawiono szczegółowy opis procesu tworzenia zewnętrznego termometru bezprzewodowego, który samodzielnie generuje energię z panelu słonecznego. Szczególną uwagę poświęcono rozwiązaniu problemów z zasilaniem w warunkach słabego oświetlenia, wyborowi komponentów oraz optymalizacji zużycia energii, aby zapewnić długotrwałą i niezawodną pracę urządzenia.

Wyzwania związane z autonomicznym zasilaniem i ich rozwiązania

Głównym wyzwaniem przy projektowaniu autonomicznego czujnika jest zapewnienie stabilnego zasilania, zwłaszcza w warunkach zmiennego oświetlenia. Dla zewnętrznego termometru, opracowanego w ramach tego projektu, konieczne było stworzenie systemu zdolnego do pracy na energii słonecznej, jej gromadzenia i efektywnego wykorzystywania. Wybór padł na panel słoneczny o średnicy 90 mm z powłoką PET, zapewniającą odporność na promieniowanie UV. Chociaż deklarowane parametry (4,5V, 100 mA) rzadko są osiągane, rzeczywiste wartości 80 mA i ~5,5V w pełnym słońcu okazały się wystarczające do podstawowego ładowania.

Jako wewnętrzny magazyn energii wybrano superkondensatory (jonistory) o łącznej pojemności 10F. Ich zalety to długa żywotność i zdolność do ładowania w szerokim zakresie temperatur od -40 do +50 °C. Obliczenia wykazały, że aby zapewnić 24-godzinną pracę bez doładowywania przy średnim zużyciu prądu przez układ wynoszącym około 220 µA (przy okresie pomiaru 256 sekund), wymagana jest pojemność około 7,6F. Dwa superkondensatory po 5F, połączone równolegle, zapewniają niezbędny zapas. Maksymalne napięcie na superkondensatorach ustawiono na 5V, aby zmaksymalizować zgromadzoną energię.

Kluczowym problemem okazało się zapewnienie ładowania w pochmurne dni, gdy panel słoneczny generuje zaledwie 2-3,5V i prąd 0,1-1 mA. W takich warunkach standardowe przetwornice podwyższające (np. NCP1402SN50T1G, ZXSC310, MCP1640) mogą „zawieszać się” na progowym napięciu rozruchu, zużywając cały dostępny prąd i nie ładując superkondensatorów. Aby rozwiązać ten problem, opracowano inteligentny system wstępnego gromadzenia ładunku, obejmujący kondensatory C8-C11 oraz komparator z histerezą na tranzystorach VT7-VT9 i diodzie Zenera VD6 (w tym przypadku – zielona dioda LED). Ten układ pozwala przetwornicy DA2 uruchamiać się tylko przy wystarczającym poziomie napięcia na kondensatorach magazynujących, zapewniając „pakietowe” ładowanie superkondensatorów nawet przy minimalnej produkcji energii przez panel słoneczny. Dolny próg uruchomienia komparatora ustawiono na 1V, co jest wartością wyższą niż próg „zawieszania się” przetwornicy, eliminując nieefektywną pracę.

Panel słoneczny: 90 mm, powłoka PET, do 80 mA.
Magazyn energii: Superkondensatory 10F (2x5F równolegle), napięcie robocze do 5V.
Przetwornica podwyższająca: NCP1402SN50T1G.
Stabilizator LDO: LP5907MFX-3.3.
Inteligentny system ładowania: Komparator z histerezą do pracy w warunkach słabego oświetlenia.
Zakres temperatur: -40…+50 °C.
Czas pracy bez doładowywania: ~30 godzin.

Praktyczne testy wykazały, że superkondensatory ładują się z prędkością 100-150 mV na godzinę nawet w najbardziej niesprzyjającą pogodę. W okresie jesienno-zimowym osiągają ponad 1V w ciągu dnia, a w zwykłe dni są w pełni naładowane do południa. Podczas eksploatacji napięcie na superkondensatorach nigdy nie spadło poniżej 3,2V, co potwierdza skuteczność opracowanego systemu.

Mikrokontroler i czujniki: wybór i optymalizacja

Jako mikrokontroler (MCU) użyto PIC16F1825, który był dostępny, choć bardziej energooszczędny PIC16LF1825 mógłby być lepszym wyborem. Jednakże głównym konsumentem energii w systemie jest transceiver JDY-40, który pobiera do 40 mA w trybie nadawania i 24 mA w trybie odbioru. Aby zminimalizować zużycie energii, transceiver aktywowany jest tylko na 2 sekundy: 1 sekunda na transmisję zmierzonych danych (temperatura, ciśnienie, wilgotność) i 1 sekunda na odbiór ustawień (adres, kanał, moc, częstotliwość pomiarów). Następnie MCU przechodzi w tryb uśpienia na 256 sekund, wykorzystując timer WDT do wybudzenia. Brak potwierdzenia i retransmisji danych wynika z oszczędności energii, choć taka funkcjonalność może być zaimplementowana w razie potrzeby.

Aby zapewnić dokładność transmisji danych przez UART w szerokim zakresie temperatur, generator zegarowy mikrokontrolera jest stabilizowany kwarcem. Jako główny czujnik wybrano BME280, który umożliwia pomiar temperatury, wilgotności i ciśnienia atmosferycznego. Mimo że BME280 nie jest idealnym rozwiązaniem do zastosowań zewnętrznych ze względu na swoją wrażliwość na wilgoć, jego funkcjonalność przeważyła nad tą wadą. Dodatkowo mierzona jest jasność w jednostkach umownych, a także temperatura za pomocą wbudowanego czujnika MCU jako zapasowego źródła danych.

Dla dalszej optymalizacji zużycia energii zaimplementowano tryb oszczędzania energii: gdy napięcie na superkondensatorach spadnie poniżej 3V, interwał pomiarów i transmisji danych podwaja się do 512 sekund. Płytka czujnika została wykonana na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 100x23 mm, co pozwala na kompaktowe rozmieszczenie wszystkich komponentów.

Konstrukcja i ochrona czujnika do eksploatacji zewnętrznej

Mechaniczna konstrukcja czujnika, wykonana w oparciu o zasadę „technologii rur kanalizacyjnych”, zapewnia niezbędną ochronę przed czynnikami zewnętrznymi i izolację termiczną. Składa się z czterech głównych elementów:

Zewnętrzna obudowa nośna: Trójnik polipropylenowy 63x25x63, pełniący również rolę osłony termicznej.
Wewnętrzna obudowa: Mufa kanalizacyjna 32 mm z zaślepkami, w której umieszczona jest płytka czujnika.
Pokrywa: Pokrywka od słoiczka kremu do rąk, na której zamontowany jest panel słoneczny.
Drążek z uchwytem: Odcinek rury PP 25 mm i chiński uchwyt na flagę do mocowania.

Panel słoneczny jest przymocowany do pokrywy, a połączenie z płytką czujnika wykonano dwużyłowym kablem, szczelnie wciśniętym w pokrywę, co stanowi prowizoryczne uszczelnienie kablowe. Pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną obudową zapewniono swobodną cyrkulację powietrza, a w wewnętrznej obudowie wykonano otwory wentylacyjne wokół czujnika BME280. Dla hydroizolacji płytka drukowana została pokryta trzema warstwami lakieru PLASTIK 71. Ważne jest, aby unikać dostania się lakieru do małego otworu czujnika BME280.

Niniejsza konstrukcja pokazuje, jak za pomocą dostępnych materiałów i przemyślanych rozwiązań inżynierskich można stworzyć niezawodny i trwały autonomiczny czujnik do monitorowania środowiska. Projekt podkreśla znaczenie kompleksowego podejścia do rozwoju, obejmującego optymalizację zużycia energii, wybór komponentów odpornych na warunki zewnętrzne oraz odpowiednią ochronę mechaniczną.

Co ważne

Efektywne zasilanie: Opracowano system oparty na panelu słonecznym i superkondensatorach z inteligentnym zarządzaniem ładowaniem, umożliwiający funkcjonowanie nawet w warunkach słabego oświetlenia i temperaturach do -40°C.
Optymalizacja zużycia energii: Zastosowanie energooszczędnego mikrokontrolera, impulsowego trybu pracy modułu radiowego oraz trybu oszczędzania energii przy niskim poziomie naładowania zapewnia długotrwałą autonomiczną pracę.
Wybór czujników: Zastosowanie BME280 do pomiaru temperatury, wilgotności i ciśnienia, z uwzględnieniem jego specyfiki do użytku zewnętrznego, oraz zapasowy czujnik w MCU.
Niezawodna konstrukcja: Zastosowanie dostępnych materiałów i „technologii rur kanalizacyjnych” do stworzenia wytrzymałej, hermetycznej i termoizolowanej obudowy.
Długoterminowa eksploatacja: System wykazał wysoką niezawodność i stabilność działania, utrzymując poziom naładowania superkondensatorów nawet w niesprzyjających warunkach pogodowych.

— Editorial Team