Der ESP-01S, eine besonders kleine Variante eines ESP8266-Breakouts, eignet sich für „Ad-Hoc-Aufgaben“ durchaus für den Batteriebetrieb. Im Rahmen der Untersuchungen zur Heizungsoptimierung zeigten sich interessante Möglichkeiten …
31.01.2023
Messaufbau
Als Messaufbau (Abb. 1) diente die Temperaturüberwachung einer gas-Zentralheizung. Dazu misst der ESP8266 (ESP-01S) mit zwei Temperatursensoren DS18B20 alle 20 Sekunden Temperaturen und überträgt diese über https an einen Webservice. Im Loop wird zwischen den Übertragungen das WLAN ausgeschaltet, irgend eine Art des deep sleep ist nicht eingerichtet.
Der ESP-01S verträgt nur Spannungen bis knapp unter 4 Volt und hat keinen Spannungsregler an Bord. Daher versorgt eine kleine Schaltung mit einem Linearregler den ESP mit 3,3 Volt.
Aus den Mitschnitten der Temperaturwerte im Internet kann nun die Betriebsdauern mit unterschiedlicher Batterieversorgung bestimmt werden.
Abb.1: Foto des Messaufbaus
Testfälle
Folgende Testfälle wurden untersucht bzw sind geplant:
- 4 AA Batterien eines Discounters (Startspannung 6 Volt)
- 3 AA Batterien eines Discounters (Startstpannung 4,5 Volt)
- 2 AA Batterien eines Discounters (Startspannung 3 Volt)
- 4 AA NIMH Akkus 1200 mAh (no name, Startspannung knapp über 5 Volt)
- 3 AA NiMH Akkus 1200mAh (no name, Startspannung knapp unter vier Volt)
- 2 AA NiMH Akkus 1000mAh (no name, Startspannung etwa 2,6 Volt)
Messergebnisse
Folgende Betriebsdauern wurden ermittelt:
Testfall Batt/Akku. Anzahl Betriebsdauer/h 1. Batt. 4. noch offen 2. Batt. 3. 79 (>3 Tage) 3. Batt. 2. 4 4. Akku. 4. noch offen 5. Akku. 3 89 (>3 Tage) 6. Akku. 2. 6 (Fehlmessungen!)
Fazit
Mit drei Batterien eines Discounters kann ein ESP-01S mehr als drei Tage betrieben werden. Für Messungen, die sporadisch erfolgen sollen, ist das eine probate Energieversorgung.
Ein Betrieb mit Akkus ist auch möglich. Nachteil ist, dass bei drei Akkus einer tief entladen (0,4 Volt) und damit geschädigt wird. Hier ist ein Betrieb mit Wegwerfbatterien wirtschaftlicher und vermutlich auch ökologischer.
Ein Betrieb mit zwei Akkus oder Batterien ist möglich, allerdings nicht lange.
ToDo
Die Messreihe ist noch mit 4 Batterien oder Akkus zu komplettieren. Ich erwarte allerdings keine deutliche Verlängerung der Laufzeit.
Ein klügeres Energiemanagement (deep sleep) zwischen den Messungen sollte die Betriebsdauer deutlich erhöhen, allerdings kann der ESP-01S ohne Modifikationen nicht in den deep sleep versetzt werden
Glossar
Deep Sleep
Deep Sleep ist ein Energiesparmodus für Mikrocontroller. In diesem Modus wird der Mikrocontroller in einen Zustand versetzt, in dem er fast keine Energie (z.B. 1 MikroAmpere bei 3,3 Volt) verbraucht. Dies ist nützlich, wenn das Gerät für einen längeren Zeitraum nicht verwendet wird und die Batterie geschont werden soll. Wenn ein externes Ereignis wie ein Tastendruck oder ein Signal von einem Sensor auftritt, wird der Mikrocontroller aus dem Deep Sleep aufgeweckt und kann weiterarbeiten. Es gibt auch Möglichkeiten, den Deep Sleep zeitgesteuert zu beenden. Auf diese Weise kann ein Gerät mit begrenzten Energieressourcen (Akkubetrieb …) länger betrieben werden.
DS18B20
Der DS18B20 ist ein digitaler Temperatursensor. Im Gegensatz zu analogen Temperatursensoren, die ein analoges Spannungssignal ausgeben, das proportional zur gemessenen Temperatur ist, oder die ihren elektrischen Widerstand mit der Temperatur ändern, gibt der DS18B20 ein digitales Signal aus, das z.B. von einem Mikrocontroller wie dem ESP8266 oder einem Kleincomputer wie dem Raspberry Pi einfach ausgelesen werden kann. Das Anschlusskabel auf eine Entfernung von mehreren 10 Metern verlängert werden. Der DS18B20 verwendet eine Dallas-1-Wire-Schnittstelle, was bedeutet, dass mehrere Sensoren an einem einzigen Datenpin und an einem einzigen Datenkabel angeschlossen werden können. Der DS18B20 kann in einer breiten Spannweite von -55 bis +125 Grad Celsius verwendet werden und bietet eine hohe Genauigkeit von ±0,5 Grad Celsius. Er ist preiswert und gut beschaffbar und eignet sich daher besonders für Selbstbau (DIY) Projekte.
ESP-01S
Der ESP-01S ist ein presiwertes Microcontroller-Breakout mit integriertem Wi-Fi-Modul, des auf dem ESP8266-Microcontroller basiert. Er verfügt über einen 80 MHz Prozessor, einen 512 KB Flash-Speicher und einen 32 KB SRAM. Mit seiner geringen Größe und seiner Fähigkeit, mit einer Vielzahl von Geräten über Wi-Fi zu kommunizieren, eignet er sich gut für IoT-Anwendungen und Projekte, die eine einfache Konnektivität über WLAN benötigen. Im Gegensatz zu den größeren Modellen ist bei ESP-01S kein analoger Anschluss herausgeführt. Es können also nur digitale Sensoren angeschlossen werden.
ESP8266
Der ESP8266 ist ein Mikrocontroller mit integriertem WLAN, der für IoT-Anwendungen entwickelt wurde. Es verfügt über eine integrierte 802.11b / g / n-Funktionalität und eine 32-Bit-CPU, die es ermöglicht, Netzwerkanwendungen und -prozesse direkt auf dem Gerät auszuführen. Der ESP8266 kann einer Vielzahl von Entwicklungsplattformen und Programmiersprachen arbeiten, was ihn zu einer gängigen Wahl für DIY- und kommerzielle IoT-Projekte macht. Viele Anleitungen gibt es zur Programmierung in C mit der Arduino-IDE. Der ESP8266 kann auch in Micro-Python programmiert werden.
Linearregler
Ein Linearregler ist ein elektronisches Bauteil, das verwendet wird, um eine elektrische Spannung auf einen gewünschten Wert (oft 5 Volt oder 3,3 Volt) zu regulieren. Er arbeitet auf der Basis eines linearen Regelungsmodells und verwendet Feedback, um eine Abweichung zwischen dem gewünschten und dem tatsächlichen Wert zu messen und dann entsprechende Korrekturmaßnahmen zu ergreifen. Linearregler haben gegenüber einem Spannungswandler (DC-DC-Wandler) dann einen Vorteil, denn der Strom über längere Zeiträume sehr niedrig ist.
NiMH-Akku
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