Figure 1. Solarchamp 1
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Figure 2. Solarchamp 2
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Figure 3. Solarchamp im Einsatz
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Willkommen auf meiner Bastelanleitung für ein Modem mit Solarpanel zur Energieversorung.
Ich bin einer der IoT-Enthusiasten, der gerne echte Dinge baut, die auch funktionieren. 2022 habe ich angefangen, einen Modem-Client zu implementieren, mit dem man zeigen kann was in UDP steckt. In Kombination mit Eclipse/Californium - CoAP-S3-Proxy demonstriert dieses Beispiel, dass man auch von einem kleinen Solarpanel und einem der neuen Super-Kondensatoren zuverlässig jede Stunde Daten austauschen kann. Im Frühjahr wissen wir dann, ob dass auch im Winter funktioniert.
Das Demogerät bietet nicht viel Funktion, aktuell sendet es nur die Temperatur und die Signalstärken des Funknetzes. Es soll nur zeigen, dass man solche Geräte bauen kann.
Die Ausführung ist ziemlich einfach, der Akku wird durch einen Super-Kondensator neuer Bauart (z.B. LIB1620Q4R0407, Litium HYBRID, 4V, 400F) ersetzt. Dazu muss man die Ladeschlußspannung des Ladebausteins entsprechend konfigurieren. Beim Nordic NPM1300 geht das mit wenig Aufwand. Das war es auch schon. Ansonsten benötigt man eine Applikation, die mit wenig Energie auskommt, da passt CoAP/DTLS 1.2 CID natürlich optimal.
Für ein echtes Gerät sollte man beachten, dass die Temperatur nicht über 50°C steigt. Dazu muss man dann meiner Erfahrung nach das Solarpanel absetzen und das Gerät selber beschatten. Eine Varainte mit abgesetztem Solarpanel teste ich daher gerade auch (oben rechts).
Links zu den Open Source Projekten:
Ein Testlauf mit einem Sendeinterval von 5 Minuten lief 8 Tage und 14 h.
Gemäß dem Datenblatt des Solarpanels, ist diese in der Lage bis zu 100mA zu liefern. Gehen wir bei wenig Sonne von 25mA aus. Der Super-Kondensator speichert die Energie von ca. 160mAh, wenn man einen Spannungsabfall von 4.0 auf 2.5V annimmt. Für Das Modem nutzen wir nur den Bereich 4.0 bis 3.4V, daher halbiert sich die Kapazität auf ca. 80mAh. Wenn man nun noch etwas Verlust dazu rechnet, dann benötigt das Solarpanel ca. 4h zum Aufladen (bei starker Sonne wird das schneller gehen). Aus Erfahrung mit anderen Geräten, die dieses nRF9160/61 Modem nutzen, kann man mit 100mAh ca. 1 Monat lang jede Stunde eine Nachricht austauschen. Als erste Überschlagsrechnung folgt dann, dass wenn es 5 h pro Monat Sonne gibt und die Dunkelphase nicht länger als 3 Wochen ist, dass Gerät allein mit der Sonnenenergie auskommen sollte. Mal sehen, wie gut das zutrifft.
Das Herzstück ist ein Modem-Modul, dass über einen Solarladechip verfügt, das Conexio Stratus Pro nRF9161. Dazu kommt ein Super-Kondensator (4V, 400F), ein kleines Solarpanel (6V)und ein Gehäuse. Ich verbaue auch gerne einen LED Taster.
Die Verkablung ist verhältnismässig einfach.
| Beschreibung | Conexio Stratus Pro | Super Kondensator | Solarpanel | LED Taster | Farbe |
|---|---|---|---|---|---|
GND |
P2/4 GND |
- |
- |
Sw 1 |
Schwarz |
Solar V+ |
P2/20 +PV |
+ |
Grün |
||
Bat V+ |
P1/1 VBAT |
+ |
Rot |
||
VDD (3.3V) |
P2/2 +3.3V |
LED+ |
Braun |
||
Call Button |
P1/4 GPIO 0.0 |
Sw 2 |
Blau |
||
LED |
P1/5 GPIO 0.1 |
LED - |
Gelb |
Der Super Kondensator wird wie eine Batterie an GND und VBAT angeschloßen. Das Solarpanel wird ebenfalls mit GND und zusätzlich mit +PV verbunden. Damit ladet man den Super Kondensator über den BQ25185DLHR Solar Laderegeler (Stecker mit dem grünem Kabel). Diesen kann man nicht ansteuern und er ladet den Super Kondensator auf 4.2V auf, was bei dem verwendeten Super Kondensator die maximale Überspannung ist. Ich habe da bedenken, dass das für einen dauerhaften Betrieb funktioniert. Wenn man auch den LED Taster möchte, dann wird der Taster zwischen GND und GPIO 0.0 angeschloßen und die LED zwischn +3.3V und GPIO 0.1.
Der 2. Stecker (mit dem rotem Kabel) für das Solarpanel war für Laden über VBUS (P1.3, Stromeingang) und nPM1300 Energiemanger gedacht. Leider ist diese PIN doch VUSB und damit Stromausgang. Wenn man über den nPM1300 ladet, den kann man die Spanung auf 4.0V limitieren. Nachteil ist, dass ein Spannung höher als 5.5V an VBUS als Überspannung bewertet werden und der Regeler in einen "Notbetrieb" geht und so den Strom auf 100mA beschränkt. Auf den ersten Blick ist das kein Problem, da das Solarpanel ohnehin nicht mehr liefert und der Super Kondensator bei 100mA in weniger als 1h geladen ist. Ob sich noch mehr Nachteile zeigen, werden Tests erbringen.
Das hängt natürlich stark von der Bastel-Erfahrung ab. Ich denke, man sollte das in einem Nachmittag schaffe.
| Bauteil | Bezugsquelle | Preis (Herbst 2024) |
|---|---|---|
Conexio Stratus Pro nRF9161 |
89 $ (zzgl. Versand) |
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LTE Antenne |
4,80 Euro |
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Super-Kondensator, LIB1620Q4R0407, 4V, 400F |
10,17 Euro |
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Solarpanel, 6V 0.5W |
6,60 Euro |
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Solarpanel (abgesetzt), 6V 0.5W |
5,99 Euro |
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LED Taster, Grün |
1,80 Euro |
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Gehäuse, 105x70x40mm, transparenter Deckel |
9,30 Euro |
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Pfostenstecker, 6 pol. |
0,18 Euro |
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Pfostenbuchse, 6 pol. |
0,26 Euro |
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Steckverbinder JST 2mm, 2 pol. |
0,14 Euro |
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Laborkarte 3-Loch-Lötinseln |
6,50 Euro |
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Gesamtsumme ca. |
150 Euro |
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