Тема автономных датчиков, не требующих замены или ручной зарядки элементов питания т.е. обслуживания довольно интересна. Здесь уже публиковались ряд статей на эту тему, что в какой-то мере поспособствовало началу моих экспериментов в этом направлении. Что в итоге у меня получилось, читайте в этой статье…
Итак, требовалось разработать и изготовить для домашнего применения автономный уличный радио термометр “добывающий себе питание самостоятельно”, т.е. условно не обслуживаемый. Почему условно? Условно, потому что это, всё-таки любительская конструкция, собранная из подручных материалов. Долговечность ее работы может вызывать вопросы. Однако за весь текущий период эксплуатации, какого-либо внимания к себе датчик не требовал.
Параметры получившегося изделия
Диапазон рабочих (измеряемых) температур -40…+50 *С
Дополнительные измеряемые параметры: атм. давление, влажность, освещенность в условных единицах.
Интервал измерения температуры/давления/влажности/освещённости – 256 сек (~4 мин).
Частота радиопередатчика: 2.4 ГГц
Дальность передачи данных в условиях помещения: 10-15м
Возможность работы в своей сети, изменение настроек (адрес, интервал измерений, мощность передатчика, радиоканал)
Внутренний источник питания: ионисторы общей емкостью 10Ф
Ус-во сбора энергии: солнечная батарея диаметром 90 мм
Продолжительность работы без подзарядки от солнечной батареи: ~ 30ч.
Узел питания
Солнечную батарея выбрана диаметром 90мм с PET покрытием. Такое покрытие более устойчиво к УФ излучению, относительно например, покрытия эпоксидной смолой в более дешевых батареях.
Заявленные характеристики: 4,5V 100мА. Конечно же никакие 100мА она не выдает, максимум что мне удалось получить это 80мА. На холостом ходу ЭДС достигает 5,5В при освещении солнечным светом.
В качестве внутреннего накопителя энергии используется ионистор из следующих соображений: большой срок службы и возможность заряжаться во всем диапазоне температур -40…+50 *С. Напряжение на ионисторах - 5В, т.к. энергии в них можно накопить больше чем при напряжении 3,3В. Среднее потребление схемы составляет около 220 uA при периоде измерения 256 сек. Путем не хитрых расчетов определим емкость ионистора при условии его разряда до 2.5В и времени работы без подзарядки 24 часа:
Я выбрал с небольшим запасом на деградацию два ионистора по 5Ф в параллель типа WEC6R0505QG. Способные работать от -40 до 65 *С.
В качестве повышающего преобразователя применена микросхема NCP1402SN50T1G. LDO стабилизатор с малым током потребления LP5907MFX-3.3.
Основная задача при проектировании системы питания заключалась в том, чтобы процесс заряда внутреннего накопителя энергии (ионистора) осуществлялся и в пасмурную дождливую погоду при плотной облачности.
Поскольку выбранная мной солнечная батарея в пасмурную погоду способна выдавать напряжение около 2-3,5В и ток всего 0,1 – 1mА (в зависимости от облачности) то непосредственно зарядить ионистор до 5В невозможно. Кроме того, при токе солнечной батареи не превышающем 100-200uA повышающий преобразователь DA2 при условии, что его разрешающий вход CE напрямую подключен к питанию и плавном увеличении напряжения питания (а так обычно и происходит при рассвете) “зависает” в неком пограничном состоянии на уровне порогового значения запуска 0.8В, потребляя весь ток вырабатываемый солнечной батареей. В таком состоянии DA2 может находиться пока ток отдаваемый солнечной батареей не увеличится до единиц мА. Т.е. фактически зарядка в пасмурную дождливую погоду может отсутствовать. Аналогично ведут себя и другие микросхемы, протестированные мной ZXSC310, MCP1640. Последняя вообще начинает потреблять десятки мА на пороговом напряжении.
Чтобы решить эту проблему используется предварительный накопитель заряда, конденсаторы С8-С11 и компаратор с гистерезисом на транзисторах VT7 – VT9 и VD6 запускающий преобразователь при достаточном уровне напряжения на накопительных конденсаторах.
Схема работает следующим образом: солнечная батарея через диод VD2 постепенно заряжает С8-С11 и ионисторы C12, C13 (если на них напряжение менее 2В). Пока напряжение на С8-С11 не превышает 2В, на входе CE преобразователя DA2 будет напряжение ниже порога запуска.
При напряжении более 2В через стабилитрон VD6 (я использовал зеленый светодиод в прямом включении) открывается транзистор VT8, при этом VT7 закрывается, разрешая работу DA2. Схема встает на “самоподхват” через меньшее падение напряжения коллекторного перехода транзистора VT9 включенного как диод и остается в таком состоянии при снижении напряжения вплоть до 1В. При этом заряженные конденсаторы C8-C11 способны отдать ток достаточный для нормальной работы повышающего преобразователя, накопленный в них заряд перекачивается в ионисторы C12, C13 пока напряжение на С8-С11 не снизится ниже 1В. В результате VT8 закрывается, а VT7 открывается, блокируя работу DA2. Далее процесс повторяется. В этом режиме работы напряжение на C8-C11 имеет пилообразную форму, а преобразователь работает пачками заряжая ионисторы.
Нижнее пороговое значение напряжения компаратора 1В выбрано немного больше порогового напряжения запуска DA2, чтобы исключить возможное попадание в зону “зависания” при появлении тучки на небе.
При достаточном токе отдаваемым солнечной батареей (единицы мА) и напряжении не менее 1В преобразователь работает непрерывно.
При ясной погоде заряд ионисторов происходит напрямую, фактически без участия DA2. Стабилитрон VD3 защищает от перенапряжения DA2 и С12, С13.
Тут стоит отметить, что я прекрасно понимаю, что используется только 60% накопленной энергии в ионисторах. Это сделано в угоду простоты схемы, т.к. поставить еще один ионистор гораздо проще, чем еще один бустер и систему/схему контроля питания и его запуска. Стоит еще отметить тот факт, что эта оставшееся энергия в ионисторе фактически не только не используется, (не тратится), но и не восполняется. И является просто некой подпоркой единожды накопленной, т.к. потребление схемы при напряжении менее 2,5В составляет всего несколько мкА, а утечка в самих ионисторах при таком малом напряжение как правило не превышает 1мкА на 1Ф.
Что в итоге получилось? Ионисторы заряжаются и в самую пасмурную ненастную погоду со скоростью минимум 100 – 150 мВ в час. И в среднем в осенний/зимний период с плотной облачностью (дождь/снег – метель, со снегом/льдом на солнечной батарее) за световой день набирают более 1В. В итоге при длительных снегопадах или дождях напряжение на ионисторах к концу светового дня находится в районе 4,6…5В. В обычные же дни пасмурные или солнечные, ионисторы полностью заряжаются уже к 12 часам дня, причем в моем месте установки заряжаются они рассеянным светом, т.к. солнце из-за угла дома появляется только к часу - двум дня.
MCU
В качестве микроконтроллера я применил PIC16F1825, т.к. они у меня были, лучшим вариантом будет версия с более низким потреблением PIC16LF1825. Но на самом деле это не имеет особого значения, поскольку основной потребитель - это трансивер JDY-40. По сравнению со всей остальной частью схемы потребляет он просто огромное количество энергии до 40мА в режиме передачи и 24мА в режиме приема. Поэтому включается трансивер только на 2 сек. В течении этого времени сначала передаются текущие измеренные значения температуры/давления/влажности, а далее в течении 1 секунды датчик находится в режиме приема. В этот момент ему можно передать какие-либо настройки, поменять адрес в сети, изменить канал передачи, мощность передатчика, периодичность измерений.
Какого-либо подтверждения или запроса повторной передачи данных от датчика к приемнику я не реализовывал для экономии энергии. Но при необходимости это конечно сделать возможно.
Далее МК переводится в режим сна на 256 сек. Сон по WDT таймеру, поэтому периодичность в 256 сек понятие условное и может плавать от температуры.
Т.к. изделие предназначено для работы в широком диапазоне темпер��тур, и для передачи данных используется UART, поэтому тактовый генератор мк стабилизирован кварцем.
В качестве датчика температуры я выбрал BME280. Не лучшее решение для уличного применения, но соблазн измерять сразу температуру/влажность/давление вместо только температуры победил ;). Посмотрим сколько он в конечном итоге проживет…
Дополнительно в условных единицах измеряется значение освещенности, а также температуры встроенным датчиком в микроконтроллер в качестве резерва.
Еще добавил режим экономии энергии, если напряжение на ионисторах окажется менее 3В, то период измерения и передачи показаний увеличивается вдвое до 512 сек.
Плата датчика выполнена на двухсторонней печатной плате размерами 100х23мм.
Конструкция датчика
Конструктивно датчик выполнен по канализационно-трубной технологии. И состоит из четырех элементов:
Внешнего несущего корпуса, являющегося одновременно и тепловым экраном – тройник полипропиленовый 63х25х63.
Внутреннего корпуса где расположена плата датчика – муфта канализационная 32мм с заглушками.
Крышки – крышка от банки крема для рук
Штанги с держателем – отрезок ПП трубы 25мм и китайский держатель флага.
Крышка к внешнему несущему корпусу крепится с помощью никелированных стоек для печатных плат высотой 25мм.
Сверху на крышке установлена солнечная панель. Соединение солнечной панели с платой датчика выполнено двужильным круглым кабелем. Кабель в крышку вставлен плотно с усилием, образуя эрзац гермоввод.
Между внешним и внутренним корпусом свободно циркулирует воздух. Во внутреннем корпусе непосредственно сам датчик температуры расположен в нижней части, а в корпусе сделаны ряд отверстий для циркуляции воздуха.
Печатная плата датчика покрыта тремя слоями лака для гидроизоляции типа PLASTIK 71. В идеале лучше использовать специальный нейтральный компаунд для электроники, главное не замазать маленькое отверстие в BME280. :-)
Солнечную батарею с внутренней стороны я окрасил белой нитроэмалью.
Вся эта конструкция прикручена у меня к балкону на расстоянии около 30 см от стенки. Т.к. снизу у меня никого нет, а балкон сам выставляется примерно на полметра от стены дома, выдвигать его еще дальше я посчитал излишним.
Приемник
Приемник в принципе может быть любым, и с архивацией данных и построением графиков и т.п. Но мне пока это не нужно, поэтому я в качестве показометра собрал коробку с обычном знакосинтезирующим дисплеем. Приемник имеет среднее потребление около 5мА и питается от аккумулятора 1800мАч. Продолжительность автономной работы около 2 недель. Стоит он у меня в прихожей, посмотреть температуру перед выходом… в принципе удобно.
В идеале лучше использовать дисплей типа E-lnk, это позволит значительно снизить потребление и увеличит время автономной работы.
Доработки
Выше было описано изделие, которое было мной изготовлено и сейчас находится в эксплуатации. Однако в конструкцию можно внести ряд изменений и улучшений.
Компаратор на транзисторах приведенный выше был сделан под микросхему ZXSC310 из-за специфики его входа. И имеет ряд недостатков. При напряжении питания менее 0,5-0,6В транзистор VT7 находится в закрытом состоянии, в результате на входе CE микросхемы DA2 присутствует напряжение не равное нулю вплоть до указанных значений напряжения. Однако, как показала практика это не является проблемой, поскольку порог запуска NCP1402 около 0,8В. Тем не менее это можно устранить. Кроме того, из-за открытого транзистора VT7 схема потребляет ток от солнечной батареи в выключенном стоянии, когда заряжаются накопительные конденсаторы С8-С11.
Для NCP1402 лучший вариант компаратора показан на рисунке.
Он имеет ток потребления около 15-16 мкА при напряжении 3В и не потребляет ток в выключенном состоянии. В качестве VD3 предпочтительнее использовать стабилитрон (необходимо подобрать), т.к. изменение падения напряжения от температуры у него будет несколько меньше чем у светодиода в прямом включении.
Угол наклона солнечной батареи лучше выбирать около 35-45 градусов. А как показывает практика лучше вообще ее размещать вертикально, закрепив сбоку на внешнем корпусе. Это исключит образование “сугроба” на солнечной батарее в зимний период, да и оседать пыль будет меньше.
В моем варианте угол наклона около 25 градусов, снег на солнечной батарее практически не задерживается из-за PET покрытия и вероятно из-за высокой высоты установки, около 60м - сдувается ветром. Такой угол я выбрал для меньшей парусности.
Что касается трансивера JDY-40, в принципе трансивер не плохой, но только если датчик будет работать в пределах 8-10 метров для помещений. Либо в прямой видимости для открытых пространств. Во всех других случаях, железобетонные, кирпичные стены, металлические крыши и т.п. лучше использовать что-то другое, на частоту 430 МГц.
Вот такая получилась конструкция, на этом пока все. Удачных экспериментов!
