beelogger

Solarbetrieb – beelogger-Solar

beelogger Solar Platine Solarzelle Akku V3Wem kein unmittelbarer Zugang zum Internet und Stromnetz an den Beuten zur Verfügung steht, benötigt für einen Datenlgger eine unabhängige und vor allem kabellose Lösung. Speziell für diesen Einsatz wurde der beelogger-Solar entwickelt. Mit den Funkmodulen nRF24L01 oder RF433, bietet bereits der beelogger-EasyPlug eine Möglichkeit, die Daten kabellos an einen Webserver zu übertragen. Der beelogger-Solar bietet darüber hinaus noch die Option, mit einem zusätzlichen GSM-Modul die Messwerte über das Mobilfunknetz an den Webser zu senden. Der auf einen minimalen Stromverbrauch ausgelegte und äußerst energieeffiziente beelogger-Solar wurde zudem speziell für den Akku- bzw. Solarbetrieb entwickelt. Mit diesen Eigenschaften ist er praktisch unabhängig von der kabelgebundenen Infrastruktur an nahezu jedem Ort einsetzbar. Eine regelmäßige Wartung des Systems ist ebenfalls nicht notwendig. 

 

Leider ist es nicht einfach damit getan, das Netzteil gegen einen Akku auszutauschen. Der Stromverbrauch wäre für eine angemessene Laufzeit viel zu hoch, zumindest wenn man keine ‘schweren Geschütze’ auffahren möchte. Der Fertigstellung dieses speziellen Datenloggers für Imker gingen daher viele Recherchen, Überlegungen und noch mehr Tests voraus. Insgesamt hat die Entwicklung über ein Jahr gedauert, in denen laufend Prototypen getestet, optimiert und wieder getestet wurden. Das Ergebnis ist diese viele Arbeit jedoch auf jeden Fall Wert.

Die herausradendste Eigenschaft des beelogger-Solar ist seine Energieeffizienz. Mit nur 8uA im Sleep-Mode ist der Verbrauch deutlich geringer als die Selbstentladung des Akkus. Grundlage ist die Auswahl der optimalen Bauteile sowie eine intelligente Schaltung. Für die optimale Nutzung der Möglichkeiten ist ferner ein spezieller Programmcode notwenig. 

Das grundlegende Prinzip ist hierbei ganz einfach: Zwischen den Messungen der gewünschten Parameter, versetzt man den Prozessor in einen Schlafmodus. Die angeschlossenen Sensoren und Module werden zuvor von der Stromversorgung getrennt.

Eine tolle Übersicht über verschiedene Sleep-Modes und deren Einsparpotential findet man unter http://www.mikrocontroller.net/articles/Sleep_Mode. Wirklich interessant und praxistauglich sind auch die ausführlichen Tests zur Stromeinsparung von Nick Gammon unter http://www.gammon.com.au/forum/?id=11497.

Die größte Einsparung erhält man hierbei mit dem Power-Down-Modus. Um den Prozessor aus diesem Modus regelmäßig für die Messungen zu wecken, verwendet der beelogger-Solar eine RTC (Real Time Clock) mit Alarmausgang, der an einem Interrupt des Prozessors angeschlossen ist. Bevor der Power-Down-Modus nach erfolgreichem Versand der gemessenen Daten wieder aktiviert wird, muss die RTC mit der nächsten Weckzeit programmiert werden. Erst dann können Sensoren und Module vom Strom getrennt und der Prozessor schlafen gelegt werden.

Weiteres Potential zur Einsparung nutzt man durch speziell entwickelte Hardware. Große Stromfresser sind beispielsweise die LEDs am Arduino, die rund 10-20mA pro LED verbrauchen können. Aber auch eine USB-Programmierschnittstelle auf dem Arduino-Board benötigt ständig unnötig Strom. Ferner werden auf vielen Boards einfache Spannungsregler verwendet, um beispielsweise aus 5V eine Spannung von 3,3V zu erzeugen – die restliche Energie wird hierbei zu einem großen Teil einfach in Wärme umgewandelt. Nicht zuletzt ist auch die Taktfrequenz des Prozessors für den Energieverbrauch ausschalgebend, denn bei geringerer Taktfrequenz verringert sich auch der Stromverbrauch.

Der beelogger-Solar arbeitet aus diesem Grund mit einer Spannung von 3,3V, einer Taktfrequenz von 8MHz, effektiven Spannungsreglern mit geringen Verlusten und nur mit den für den Betrieb notwendigen Bauteilen.

Die Sensoren und Module müssen hierbei natürlich für einen Betrieb mit 3,3V geeignet sein. Glücklicherweise ist dies bei allen Komponenten zumindest grundsätzlich der Fall. Eine Ausnahme stellt nur der Bienenzähler dar. Da der Prozessor von diesem Sensor permanent den Status der Reflexlichtschranken überwachen muss, ist der Bienenzähler nicht mit dem Schlafmodus des beelogger-Solar zu vereinbaren.

Die RTC DS3231 nimmt eine besondere Stellung ein, da sie zum Wecken des ATmega aus dem Power-Down-Modus eingesetzt wird und daher permanent mit Strom versorgt werden muss. Allerdings bietet der Chip zwei Möglichkeiten zur Energieversorgung. Versorgt über den Standardanschluss, welcher rund 100uA im Stand-By-Modus benötigt, kann die RTC programmiert werden. Um nur zur eingestellten Zeit den Interrupt zum Wecken des Prozessors auszulösen, reicht die Versorgung über den Batterieanschluss, welcher nur 0,9uA benötigt. Daher wird nach der Programmierung mit der nächsten Weckzeit, der Standardanschluss der RTC von der Stromversorgung getrennt und der DS3231 nur über den Batterieanschluss versorgt.

Die folgende Übersicht zeigt den Stromverbrauch verschiedener Komponenten im Energiesparmodus. Durch die komplette Trennung der Komponenten von der Stromversorgung, während sich das System im Power-Down-Modus befindet, reduziert sich weiter der Stromverbrauch, was den beelogger-Solar noch effizienter macht.

 Komponente  Betrieb über 3,3V  Verbrauch des Chips im Stromsparmodus (Datenblatt)
 nRF24L01 check_ok  0,9μA

(bei einigen Versionen mit Verstärker wird zwar der Chip, nicht aber der Verstärker abgeschaltet)

 HX711 check_ok
(bei einigen Boards sind für einen stabilen Betrieb mit 3,3V Modifikationen notwendig)
 < 1μA
 DS18B20 check_ok  7,8nA
 DHT21 / DHT22 check_ok 50uA
 BH1750FVI check_ok  1μA
 DS3231 check_ok 100uA

 

Der beelogger-Solar  wurde mit Anschlüssen für die wichtigsten Sensoren und Modulen auszustatten, wie dies bereits vom beelogger-EasyPlug bekannt ist. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Shields zu verwenden, um beispielsweise den GSM-Betrieb zu ermöglichen. Die Platine des beelogger-Solar kann sogar selbst als Shield für zusätzliche Sensoren verwendet werden. Mit dem beelogger-Solar, dem entsprechenden Programmcode sowie angepassten Webserverskripten, steht somit ein sehr flexibles Plug’n Play System zur Verfügung. 

Und natürlich ist der beelogger-Solar als Sender kompatibel auch mit dem beelogger-EasyPlug als Empfänger, falls man diese Kombination nutzen möchte.

 

Der beelogger-Solar bietet folgende Features:

  • Platine mit ATmega 328p mit 8MHz über 3,3V
  • Spezieller Solar-Laderegler SPV1040 mit MPP-Tracking für die Verwendung von Solarzelle und Akku
  • Stromsparender Spannungsregler MCP1702T-3302E/CB zur Versorgung des ATmega
  • Energieeffizienter Step-up- / Step-down-Regler TPS62260 für den Betrieb von Sensoren und Modulen 
  • TPS62260 wird zudem zur Trennung von Sensoren und Modulen vom Strom verwendet
  • Akku- und Solarspannung werden separat abgefragt, als Messwert gespeichert und auch für weitere Aktionen ausgewertet
  • RTC DS3231 zum Wecken des ATmega über Interrupt mit Batteriehalter zur Stromversorgung der RTC während der Schlafphase
  • Alternativ kann die RTC DS3131 direkt über den Lipo-Akku am Batterieanschluss ohne zusätzliche Batterie betrieben werden
  • Header mit Verbindung über Patchfeld für einen HX711
  • Vorbereitung für Modifikation zum stabilen Betrieb des HX711-Boards mit 3,3V
  • Sockel für einen nRF24L01 
  • Optionale Schraubklemme zum Anschluss für externe DS18B20 inkl. Widerstand zur Beschaltung und Patchfeld für Datenpin
  • Optionale Schraubklemmen zum Anschluss für zwei externe DHT-Sensoren inkl. optionaler Widerstände zur Beschaltung und Patchfeld
  • Optionale Schraubklemme zum Anschluss für einen externen BH1750FVI 
  • Optionale Schraubklemme für externe Wägeelemente inkl. Patchfeld
  • Optionaler Taster mit Patchfeld für Datenpin (z.B. um Interrupt manuell auszulösen)
  • Optionale Schraubklemme zum Anschluss für einen Akku bzw. Akkuhalter
  • Optionale Schraubklemme zum Anschluss einer Solarzelle
  • Mehrere zusätzliche Pins zur Stromversorgung für weitere Hardware vorhanden
  • Alle Pins sind im 2,54 Rastermaß rausgeführt
  • Platine kann selbst als Shield für weitere Sensoren verwendet werden
  • Eigene Shields zur individuellen Anbindung von Sensoren oder Modulen über Lochrasterplatine möglich
  • SMD-Bauweise
  • 8uA im Sleep-Mode

Der Aufbau und die Inbetriebnahme des beelogger-Solar gliedern sich in folgende Abschnitte: