Für einen energieeffizienten Arduino Datenlogger mit Akku- bzw. Solarbetrieb, ist die Auswahl der optimalen Bauteile und die richtige Beschaltung dieser entscheidend.
Vielen Dank an Rudolf für die tolle Unterstützung, Tipps und Antworten auf viele Fragen, die während der Entwicklung zu klären waren.
ATmega 328P (Microcontroller)
Der ATmega 328P besitzt 32KB Flash, 1KB EEPROM, 2KB SRAM und wird in verschiedenen Bauformen als Standard-Microcontroller auf vielen Arduino-Boards (Arduino Uno, Nano, Pro Mini) verbaut. Im Betrieb mit 3,3V wird eine Taktfrequenz von 8MHz unterstützt, die für unsere Anwendungen vollkommen ausreichend sind. Nach dem Aufspielen des Bootloaders kann der ATmega 328P genau wie ein Arduino Pro Mini über einen USB-Seriell-Adapter programmiert werden.
DS3231 (Real Time Clock – Echtzeituhr)
Der DS3231 ist eine sehr präzise Echtzeituhr mit Unterstützung von Sekunde, Minute, Stunde, Tag, Monat, Jahr und Wochentag – sogar Schaltjahre werden bis zum Jahr 2100 berücksichtigt. Mit bis zu zwei programmierbaren Zeiten kann der Alarmausgang aktiviert werden. Die Programmierung sowie das Auslesen von Datum und Uhrzeit erfolgt über I2C. Der Chip bietet 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 Microcontrollers auszulösen, reicht die Versorgung über den Batterieanschluss, welcher nur 0,9uA benötigt. Aber auch für weitere Einsatzzwecke, beispielsweise für das Loggen auf SD-Karte mit genauem Datum und exakter Uhrzeit, ist die RTC bestens geeignet. Die RTC verfügt zudem über einen eingebauten Temperatursensor. Sofern kein oder nur ein Temperatursensor aktiviert ist und keine andere Konfiguration vorgenommen wurde, liefert die RTC im kompletten Programmcode die Daten für TempOut, welche auch für die Temperaturkompensation der Stockwaage verwendet werden kann.
SPV1040 (Solar-Laderegler mit Step-Up-Konverter)
Der SPV1040 ist ein hochspezialisierter und sehr stromsparender Solar-Laderegler-IC, der bei ausreichender Belastbarkeit der Solarellen bereits ab einer Eingangsspannung von 0,3V arbeitet. Weitere Infos dazu auf der Webseite des Herstellers. Mit gängigen Solarzellen ist zumeist eine Solarzellenspannung größer 0,7 V für eine effektive Ladung notwendig. Hierbei kommt ein integrierter Step-Up-Konverter mit einem Wirkungsgrad von bis zu 95% zum Einsatz. Besonders effizient arbeitet der IC mit MPP-Tracking (Maximum Power Point Tracking). Über externe Widerstände hoher Präzision wird die Ladepsannung eingestellt, wodurch der SPV1040 sehr flexibel genutzt werden kann. Für den beelogger wird mit einer Ladespannung von ca. 4.15V gearbeitet, da aufgrund von Temperaturschwankungen auch die Ladespannung leicht schwanken kann. Auf eine Begrenzung des Ladestroms haben wir in unserer Minimalbeschaltung verzichtet. Zudem besitzt der Solar-Laderegler eine Abschaltautomatik, die verschaltet mit der Eingangsspannung vom Solarmodul, in der Nacht mit rund 0,7uA auskommt. Natürlich besitzt der SPV1040 auch einen Überspannungs-, Übertemperatur- und Verpolungsschutz.
TPS62260 (Step-Down-Konverter)
Der TPS62260 ist ein sehr effizienter Step-Down-Konverter. Er regelt Spannungen von 2-6V mit bis zu 600mA laut Datenblatt des Herstellers. Er wird im beelogger-SMD dazu verwendet, eine stabile Spannung von 3,3V für die Sensoren und Module bereit zu stellen. Zudem kann der Chip über einen Pin abgeschaltet werden, womit Sensoren und Module während der Schlafphase vom Strom getrennt werden. Ausgestattet mit einem automatischen Power-Save-Modus, arbeitet der TPS62260 bei geringer Belastung besonders stromsparend. Schließlich bestitzt der Chip einen Überspannungs- und Übertemperaturschutz.
LP2985-AIM533
Eine kostengünstige Alternative zum Step-Down-Konverter stellt ein schaltbarer linearer Low-Drop-Spannungsregler mit dem LP2985-AIM533 dar. Durch die kurzen Einschaltzeiten beim beelogger-SMD stellt die Verlustleistung eine zu vernächlässigende Größe dar.
MCP1702T-3302E/CB
Der MCP1702T-3302E/CB wurde speziell für batteriebetriebene Systeme entwickelt und ist ein Low Drop Festspannungsregler mit einem Ruhestrom von nur 2uA. Im beelogger-SMD versorgt er den ATmega mit 3,3V. Er benötigt nur zwei Kondensatoren für den stabilen Betrieb und ist mit einem Überspannungs- und Übertemperaturschutz ausgestattet.
Li-Ion Akku
Die Bezeichnung Li-Ion Akku ist eigentlich ein Sammelbegriff von Akkus auf Lithium-Basis in unterschiedlichen Zusammensetzungen. Allen gemein ist eine hohe Energiedichte. Je nach Zusammensetzung sind diese für eine hohe Kapazität (ICR), eine hohe Lastfähigkeit (IMR) oder im Bereich dazwischen (INR) ausgelegt. Da für den beelogger-SMD mit WLan keine hohen Ströme benötigt werden, sollte eher ein Akku mit einer hohen Kapazität gewählt werden. Zu berücksichtigen ist jedoch auch der Stromverbrauch optionaler Module, wie beispielsweise einem GSM-Shield, welches kurzzeitig bis zu 2A benötigen kann. Hierfür wird ein Li-Ion Akku mit einem spezifizierten Entladestrom größer 4A empfohlen. Je nach Zusammensetzung der Akkuchemie variiert auch die Nennspannung zwischen 3,3V und 3,8V. Li-Ion Akkus gibt es in vielen Größen und Bauformen. Gut erhältlich, mit einer festen Hülle ausgestattet, verfügbar mit einer hohen Kapazität, einer Nennspannung von 3,6-3,7V und Ladeschlussspannung von 4,2V, sind Akkus der Größen 18650. Ein weiterer Vorteil dieser Bauform ist eine Schutzschaltung, die in vielen Akkus dieses Typs integriert ist. Die Schutzschaltung bietet in der Regel Schutz vor Tiefenentladung, Überladung und Überstrom, beispielsweise bei einem Kurzschluss. Da beim beelogger-SMD auf zusätzliche Schutzschaltungen verzichtet wird, ist ein Akku mit entsprechender Schutzschaltung zwingend zu verwenden. Leider gibt es viele schlechte Zellen auf dem Markt, die nicht das halten, was der Aufdruck von Eigenschaften oder der Kapazität verspricht. Technisch möglich ist aktuell eine Kapazität von ca. 3400mAh bei diesen Zellen. Wir empfehlen die Zellen nahmhafter Hersteller über einen vertrauenswürdigen Händler oder Portale mit Bewertungsfunktion zu beziehen.
Solarzelle
Bei gängigen Solarzellen unterscheidet man zwischen monokristallinen und polykristallinen Zellen. Die Art der Kristallstruktur hängt mit dem Herstellungsverfahren zusammen. Generell kann man sagen, dass monokristalline Zellen einen höheren Wirkungsgrad besitzen (bis zu 20%), polykristalline Zellen mit einem geringeren Wirkungsgrad (bis zu 16%) dafür ein wenig günstiger sind. Eine Einzelzelle liefert ca. 0,5V. Um eine höhere Spannung zu erzeugen werden intern mehrere Einzelzellen zusammen geschaltet. Da wir über den SPV1040 mit einer Ladespannung von 4,15V arbeiten, darf diese nicht von der Solarzelle überschritten werden. Durch die spezielle energieeffiziente Technik und dem intelligenten Programmcode des beelogger-SMD ist nur eine verhältnismäßig kleine und damit günstige Solarzelle notwendig. Es sollten Solarzellen mit einer Nennspannung von 2 bis 3V verwendet werden. Die notwendige Leistung ist abhängig vom geografischen Standort sowie den örtlichen Begebenheiten. Entscheident ist die Intensität und Dauer der Sonneneinstrahlung vor allem in der dunkleren Jahreszeit. Der SPV1040 ist für einen maximalen Strom vom 1.8A ausgelegt. Wir empfehlen jedoch bei der Auswahl der Solarzellen einen effektiven Ladestrom von 1A nicht zu überschreiten. Eine Solarzelle mit einem Ladestrom ab ca. 200mA ist für den beelogger-SMD ausreichend. Der Akku muss für den über die Solarzelle und den SPV1040 maximal zur Verfügung gestellten Ladestrom ausgelegt sein, da dieser in der Minimalbeschaltung des beelogger-SMD nicht begrenzt wird.
Bezug
Damit die benötigten Bauteile für den beelogger-SMD über jeden Anbieter bezogen werden können, sind die notwendigen Eigenschaften für jedes Bauteil explizit angegeben. Für einen einwandfreien Betrieb sind diese Werte zwingend einzuhalten.
Viele Bauteile lassen sich günstig über eBay beziehen. Spezielle Bauteile, wie beispielsweise der SPV1040, können in der Regel nur über gut sortierte Shops bezogen werden. Aber auch bei Abnahe von kleineren Mengen an Widerständen oder Kondensatoren, oder wenn diese garantierte Eigenschaften aufweisen müssen, empfiehlt sich eher der gut sortierte Fachhandel. Um die Bauteilebeschaffung möglichst einfach zu gestalten, wurde zu jedem notwendigen Bauteil der Hauptplatine eine Bestellnummer angegeben. Als Lieferant haben wir uns dabei für ‘Mouser’ entschieden. Mouser bietet eine große Auswahl und hat alle notwendigen Bauteile im Sortiment. Grade bei den teureren Bauteilen, wie dem SPV1040, ist dieser Anbieter günstiger als beispielsweise Conrad. Eine weitere Alternative stellt reichelt elektronik dar. Widerstände und Kondensatoren sind dafür im Einzelbezug recht teurer, bei Mehrabnahme erhält man aber auf viele Bauteile einen Rabatt. So kann es sogar vereinzelt günstiger sein, mehr Bauteile als benötigt zu bestellen, um die Rabattierung zu erhalten und somit einen günstigeren Gesamtpreis. Die Versandkosten bei Mouser sind mit 20€ sehr hoch, jedoch wird ab einem Bestellwert von 50€, in der Regel versandkostenfrei geliefert.
Bauteile der Hauptplatine:
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Für einen einwandfreien Betrieb sind die angegebenen Werte für jedes Bauteil zwingend einzuhalten.
Zu jedem Bauteil ist eine Teilenummer (Bestellnummer) von Mouser angegeben. Diese kann optional für eine einfache Bestellung der Bauteile verwendet werden. Aus dem Portfolio von Mouser wurde hierbei das jeweils günstigste Bauteil mit den ensprechenden Eigenschaften ausgewählt (ohne Gewähr). Sofern verfügbar, war ein weiteres Kriterium zur Auswahl eine Rabattierung bereits ab 10 Stück. Natürlich können im Einzelfall andere Bauteile mit den gleichen Spezifikationen günstiger sein.
Einige der Bauteile können günstiger über eBay bezogen werden. Dies kann beispielsweise daran liegen, dass es mit den gleichen Eigenschaften von einem anderen Hersteller angeboten wird, dass direkt aus Fernost versendet wird oder weil es sich bei dem Bauteil um ein Remake handelt. Ein gutes Beispiel ist die RTC DS3231. Diese ist über eBay zu einem Preis von rund 1€ pro Stück zu beziehen. Hierbei handelt es sich vermutlich um ein Remake, welches möglicherweise nicht ganz so akkurat arbeitet, wie das Original. Allerdings ist das Original in keinem bekannten Online-Shop unter 8 Euro zu finden. In unseren Prototypen funktionieren die vermeintlichen Remakes bisher einwandfrei.
| Wer Leerplatinen zum Selbstkostenpreis erwerben möchte, kann sich per Mail an platinen@beelogger.de wenden. 15.04.2023: Restbestände sind noch verfügbar. |
Informationen zur Beschaffung von Teilen auch unter *Einkaufstipps.
Die Verfügbarkeit und Preisentwicklung ist starken Einflüssen unterworfen. Die Liste basiert auf Stand 2019/2020; eine kontinuierliche Anpassung an die aktuelle Situation ist uns leider nicht möglich.
| Bauteil | Spezifikation | Mouser-Teilenummer | Anzahl pro Platine | Bemerkungen |
| Platine | beelogger-SMD | — | 1 | platinen@beelogger.de |
| ATMEGA328P-AU | ATmega 328P AU, 8-Bit Mikrocontroller – MCU 32KB In-system Flash 20MHz 1.8V-5.5V, TQFP-32 | 556-ATMEGA328P-AU | 1 | günstiger über eBay |
| Quarz 8MHz | Quarz, 8MHz, HC-49/S, -20 +70C, 18pF, SMD, ESR 80 Ohm, 30ppm, 11.4mm Länge | 815-ABLS2-8-D4Y-T , 815-ABLS3-8MD4YT, 815-ABLS-8.0M-T ( 717-9C-8.000MAAJ-T ) |
1 | |
| RTC DS3231SN | DS3231SN SOIC-16, Serial, I2C | 700-DS3231SN# | 1 | |
| SPV1040 | SPV1040T TSSOP-8 | 511-SPV1040T | 1 | |
| MCP1702T | MCP1702T-3302E/CB SOT-23A-3 | 579-MCP1702T3302E/CB | 1 | auf genaue Bezeichnung achten |
| MBR0520LT | MBR0520LT SOD 123 | 863-MBR0520LT3G | 2
|
günstiger über eBay alternatives Bauteil über Mouser: 821-LL914B (rund) |
| EEPROM |
8KB: AT24C64 32kB: AT24C256 |
Platine Version 4.0:
579-24LC64T-I/SMG 579-24FC64-I/SMG
579-24LC256T-I/SMG
Platine Version 4.1:
579-24LC64T-I/SN
579-24LC256T-I/SNG
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1 | |
| Temperatursensor |
DS18B20 |
eBay, div. Online-Shops
|
1 | Temperatursensor Aussentemperatur, sofern nicht DHT22 oder BME280 zum Einsatz kommt |
| Spule 10uH | Spule, Power Inductor, 10uH, 4.45×4.06 mm, SMD 4020, max. 20%, min. 1,8A, max. 250mOhm | 652-SRP4020TA-100M oder 810-SPM4020T100MLR |
1 | |
| Taster (Kurzhubtaster) | Taster, SMD, 6x3mm, 6×3.5mm, OFF – (ON), min. 10V, max. 50mA |
Beispiele: 706-95C04A5GWRT oder |
1 | günstiger über eBay |
| Keramikkondensator 18pF | Keramikkondensator, 18pF, SMD 0805, NPO (!), min. 10V, max. 10% |
80-C0805C180K5G | 2 | |
| Keramikkondensator 0,1uF | Keramikkondensator, 0,1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% | 80-C0805C104K5R | 6
|
|
| Keramikkondensator 10uF | Keramikkondensator, 10uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% | 81-GRM21BR61C106KE5K | 11
|
|
| Keramikkondensator 1uF | Keramikkondensator, 1uF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% | 81-GRM21R61C105KA01L | 2 | |
| Keramikkondensator 1nF | Keramikkondensator, 1nF, SMD 0805, NPO, min. 10V, max. 10% |
80-C0805C102K5G oder 77-VJ0805A102KXAAC |
1 | |
| Widerstand 0,51 | Widerstand, 0,51, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW | 667-ERJ-6RQFR51V | 1 | nur für Betrieb mit nRF24L01, sonst Drahtbrücke, 0 Ohm oder alternatives Bauteil Mouser:603-RC0805JR-070RL (0 Ohm) |
| Widerstand 4,7k | Widerstand, 4,7k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW | 667-ERJ-6GEYJ472V | 7-9
|
(je nach verwend. Sensor + EE-Prom) |
| Widerstand 10k | Widerstand, 10k, SMD 0805, max. 5%, min. 100mW | 603-RC0805FR-0710KL | 1 | |
| Widerstand 430k/453k | Widerstand, 430k/453k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW | 279-CPF0805B430KE1 279-CPF0805B453KE1 |
1 3 |
|
| Widerstand 1M | Widerstand, 1M, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW | 279-CPF0805B1M0E1 | 3 | |
| 3,3V Regler mit LP2985-N | ||||
| LP2985AIM5-33 LP2985AIM5-3.3 |
LP2985-N 3,3V SOT23-T-5 |
926-2985AIM53.3/NOPB |
||
| Keramikkondensator 10nF | Keramikkondensator, 10nF, SMD 0805, NPO, min. 10V, max. 10% |
80-C0805C103K5G oder 77-VJ0805Y103MXCAC |
1 | |
| alternativ: 3,3V -Step-Down-Regler mit TPS62260 |
||||
| TPS62260 | TPS62260 TSOT23-T-5 | 595-TPS62260DDCT | 1 | |
| Keramikkondensator 22pF | Keramikkondensator, 22pF, SMD 0805, NPO oder X7R oder X5R, min. 10V, max. 10% | 77-VJ0805A220GXAPBC | 1 | |
| Spule 2,2uH | Spule, Power Inductor, 2,2uH, 4.45×4.06 mm, SMD 4020, max. 20%, min. 1A, max. 100mOhm | 652-SRP4020TA-2R2M | 1 | |
| Widerstand 180k | Widerstand, 180k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW | 279-CPF0805B180KE1 | 1 | |
| Widerstand 806k | Widerstand, 806k, SMD 0805, max. 0,1%, max. 25ppm, min. 100mW | 279-CPF0805B806KE1 | 1 | |
| für den HX711: | ||||
| Widerstand 10 | Widerstand, 10, Axial, max. 5%, min. 100mW | 603-MFR-25FBF52-10R | 1 | Optional für Modifikation HX711 |
Bevor eine Bestellung aufgegeben wird, sollte geprüft werden, ob nicht noch weitere Bauteile, beispielsweise für ein GSM-Shield oder das Multishield, benötigt werden.
Weitere Bauteile und externe Komponenten
Li-Ion-Zellen sollten nur über vertrauenswürdige Händler erworben werden.
| Bezugsquelle | Preis ab | Suchbegriffe* | Bemerkungen |
| z.B. Akkuteile.de | ab ca. 8,-€ (Versand nach Deutschland 3,90€) | Li-Ion Akku 18650 | Kapazität 3000mAh (oder mehr) Entladestrom min. 4Ampere (für beelogger-SMD GSM) Schutzschaltung zwingend erforderlich |
| eBay | 1,30€ (5 Stück) | 18650 Holder Box Case | Akkuhalter |
| eBay | abhängig von Leistung | Solar Panel Zelle Modul 2V | 2 – 3V Nennspannung, 200 – 800mA (max. 1A) Ladestrom |
| eBay | 1,30€ (10 Stück a 40 Pin) | Pin Header Female 2,54 Höhe 8,5mm, vergoldet | Buchsenleiste 1-reihig 16 pin für die Montage eines Shield |
| Buchsenleiste 1-reihig 6 pin für Anschluss FTDI |
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| eBay | 2,80€ (20 Stück) |
screw terminal connector block 3.5 reichelt AKL 059-2 |
Optionale 2-Pin Schraubklemme 3.5mm Rastermaß mit Verbinder zu weiteren 2-Pin oder 3-Pin Schraubklemmen |
| eBay | 2,55€ (20 Stück) |
screw terminal connector block 3.5 reichelt AKL 059-3 |
Optionale 3-Pin Schraubklemme 3.5mm Rastermaß mit Verbinder zu weiteren 3-Pin oder 2-Pin Schraubklemmen |
|
Batterie für DS3231 zwingend für Systeme mit SD-Karte (Akku Typ LIR2032 ist nicht mit dem beelogger-SMD kompatibel) |
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| eBay | 1,10€ (10 Stück) | CR2032 battery holder socket vertical / stehend reichelt KZH 20PCB-V oder Keystone 1065 | Batteriehalter für DS3231 |
| eBay | 1,10€ (5 Stück) | CR2032 | Batterie für DS3231 |
Gehäuse und Schalter für Arbeiten am Bienenvolk
| Bezugsquelle | Preis ab | benötige Menge | Bauteil/ Suchbegriffe* | Bestellhinweise | Bemerkungen |
| eBay, reichelt, mouser, div. Online-Shops |
2,5€ | 1 Stück ggf. mit Wasserschutz |
Dreh- oder Kippschalter zweipolig DPDT | z.B. reichelt: APEM HS 641 H2 MS500H RND 210-00442
mouser.de : DPDT, Kippschalter, Through Hole, Solder Lug |
ggfs. Variante als Schlüsselschalter, ev. mit Staub-/Wasserschutz (Seal, sealed) |
| eBay, Baumarkt, div. Online-Shops |
ca. 10€ | 1 Stück | Abzweigkasten Feuchtraum Aufputz; min. IP54 | z.B. OBO Abzweigkasten T100, IP66, Aufputz 150x116mm |
ab ca. 120x100x50mm; |
*Einkaufstipps
Informationen zur Entwicklungsgeschickte der verschiedenen Versionen des beelogger-SMD sind unter News zu finden.
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