{"id":1364,"date":"2020-09-13T22:38:53","date_gmt":"2020-09-13T20:38:53","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=1364"},"modified":"2021-04-25T21:40:15","modified_gmt":"2021-04-25T19:40:15","slug":"akku-betrieb-raspberry-pi-mit-an-zeit-management-durch-ne555","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/akku-betrieb-raspberry-pi-mit-an-zeit-management-durch-ne555\/","title":{"rendered":"Akku-Betrieb Raspberry Pi mit An-Zeit-Management durch NE555"},"content":{"rendered":"

Der Raspberry Pi Zero W ist ein universell einsetzbarer Kleinrechner f\u00fcr IoT-Ger\u00e4te, der Akku-Betrieb \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum stellt den Maker aber vor besondere Herausforderungen. Das M\u00f6nchengladbacher Unternehmen clabremo GmbH und die Hochschule Niederrhein entwickeln daher Methoden, die die Laufzeit von Akku-gest\u00fctzten IoT-Systemen verl\u00e4ngern. Hier ist ein Beitrag mit dem Timer-IC NE555.<\/em><\/p>\n

Die Schaltung soll zum einen in den Schulkooperationen der Hochschule eingesetzt werden, zum anderen f\u00fcr die Versorgung der internet-gest\u00fctzten Temperatursensoren f\u00fcr die \u00dcberwachung von Bienenst\u00f6cken.<\/em><\/p>\n

Problemstellung – Akku-Betrieb erfordert Energiemanagement<\/h2>\n

Der Raspberry Pi Zero W ist ein idealer Rechner, um in studentischen Projekten oder mit Sch\u00fclern IoT-Fragestellungen zu bearbeiten. Allerdings ist der Raspi mit einem durchschnittlichen Strombedarf von 110 mA anspruchsvoll, und i.d.R. erfordert die Stromversorgung einen Anschluss in der N\u00e4he. Steht dies nicht zur Verf\u00fcgung, denkt man schnell \u00fcber Akkus nach. Experimente mit NiMH-Akkus (Eneloop mit 1900 mAh) und verschiedenen Bleigel-Akkus (12 Volt mit 10 Ah oder 4,5 Ah, 6 Volt mit 10 Ah, 4,5 Ah und 1,2 Ah) brachten schon ermutigende Ergebnisse, die allerdings einen erheblichen Materialeinsatz erfordern. Ein 12 Volt Bleigel-Akku eignet sich gut, aber selbst ein 20W Solarpanel reicht im Winter nicht aus, um die notwendige Strommenge nachzuliefern. Das Problem versch\u00e4rft sich dadurch, dass ein 12 Volt Bleigel-Akku ein Lademanagement, einen Entladungsschutz und einen 5 Volt DC-DC Konverter ben\u00f6tigt – alles Komponenten, die ebenfalls Energiebedarf haben.<\/p>\n

L\u00f6sungsidee<\/h2>\n

Allgemeines<\/h3>\n

Eine M\u00f6glichkeit, den Strombedarf des Raspberry Pi Zero W im Akku-Betrieb zu senken, ist, ihn f\u00fcr Messaufgaben einzuschalten und dann, in einer Messpause, auszuschalten und dadurch den Akku zu schonen. Die Einsparung k\u00f6nnen Sie wie nachfolgend absch\u00e4tzen.<\/p>\n

Tages-Strombedarf Rasperry Pi Zero W<\/h3>\n

Bei 110 mA Strombedarf ergibt sich f\u00fcr einen Tag eine ben\u00f6tigte Kapazit\u00e4t von<\/p>\n

110 mA * 24 h = 2.640 mAh = 2,64 Ah.<\/p>\n

Das hei\u00dft, ein Akku-Pack mit vier NiMH-Akkus je 1900 mAh schaffen es nicht, den Raspberry einen ganzen Tag zu betreiben.<\/p>\n

Tages-Strombedarf Raspberry Pi Zero W bei zyklischer Einschaltung<\/h3>\n

Die meisten Messaufgaben (Umweltdaten, Bild aufnehmen oder anderes) erledigt ein IoT-Ger\u00e4t oft in weniger als einer Minute. Das Hochfahren eines Raspberry Pi dauert mit dem aktuellen Raspi OS etwa 46 Sekunden. Das gezielte Herunterfahren dauert weitere 20 Sekunden. Insgesamt reichen also drei Minuten aus, um<\/p>\n

    \n
  1. den Raspi hochzufahren,<\/li>\n
  2. eine Mess- oder Beobachtungsaufgabe zu l\u00f6sen und die Daten \u00fcber das Internet zu \u00fcbertragen und<\/li>\n
  3. den Raspi herunterzufahren<\/li>\n<\/ol>\n

    Das Herunterfahren ist wichtig, damit beim Ausschalten der Stromversorgung das Dateisystem auf der SD-Karte keinen Schaden nimmt – Debian Linux, auf dem Raspi OS basiert, ist hier empfindlich.<\/p>\n

    Der Stromverbrauch des Raspi in einem solchen drei Minuten Zeitraum ist durch das Einbuchen in das WLAN etwas h\u00f6her, Messungen ergaben einen Wert von etwa\u00a0 120 mA.<\/p>\n

    Gehen wir davon aus, dass der Raspberry nun f\u00fcr drei Minuten eingeschaltet und nach drei Minuten die Stromversorgung f\u00fcr weitere acht Minuten gekappt wird, so ergibt sich f\u00fcr einen Zyklus von nun 11 Minuten eine deutlich niedrigerer mittlerer Strombedarf. Hinzu kommt allerdings der Strombedarf einer kleinen elektronischen Schaltung, die das Ein- und Ausschalten steuert. Die Schaltung hat einen Bedarf von 9 mA. Damit ergibt sich f\u00fcr einen Zyklus von 11 Minuten eine ben\u00f6tigte Kapazit\u00e4t von<\/p>\n

    3 min * (120 mA + 9 mA) + 8 min * (0 mA + 9 mA) =<\/p>\n

    387 mAmin + 72 mAmin = 459 mAmin * 1Ah \/ (1000 mA * 60 min) = 0,00765 Ah<\/p>\n

    Am Tag ergibt sich damit eine ben\u00f6tigte Kapazit\u00e4t von<\/p>\n

    0,00765 * (24 h * 60 min \/ 11 min) = 1 Ah<\/p>\n

    Das ist nur etwas mehr als ein Drittel des „ungeschalteten“ Verbrauchs von 2,64 Ah.<\/p>\n

    Realisierung<\/h2>\n

    Design Entscheidungen f\u00fcr den Akku-Betrieb<\/h3>\n

    Es liegt nahe, f\u00fcr eine solche Aufgabenstellung eine Mikroprozessor-L\u00f6sung z.B. mit dem AtTiny85 einzusetzen. Das w\u00fcrde die M\u00f6glichkeit bieten, die Schaltzeit dynamisch zu verk\u00fcrzen und weitere Reduzierung des Verbrauchs zu erreichen. Davon sehen wir allerdings im ersten Schritt ab. Ziel war, eine robuste, einfache und leicht verst\u00e4ndliche L\u00f6sung bereitzustellen. Daher setzen wir auf einen preiswerten Timerbaustein, den NE555. Die Schaltung ist eine leicht modifizierte Standard-Beschaltung des NE555 und h\u00e4lt keine \u00dcberraschungen bereit. Das Einschalten des Raspberry \u00fcbernimmt ein Leistungs-MOSFET IRL3034.<\/p>\n

    Elektronik<\/h3>\n

    Die Schaltung l\u00e4sst sich einfach auf einer Lochraster-Platine oder einem Steckbrett aufbauen.<\/p>\n

    \"Schaltplan<\/a><\/p>\n

    Abb.1: Schaltplan<\/p>\n

    \"Aufbau<\/a><\/p>\n

    Abb. 2: Aufbau auf einem Breadboard<\/p>\n

    Eine astabile Kippstufe (Multivibrator) mit dem Timer NE555 ist das Herzst\u00fcck der Schaltung. Die Kombination von zwei Dioden und den Widerst\u00e4nden R1 und R2 erm\u00f6glicht unterschiedliche Schaltzeiten mit einer langen Aus- und einer k\u00fcrzeren Ein-Phase. Der Ladekondensator C2 erh\u00e4lt seinen Ladestrom \u00fcber die Widerst\u00e4nde R2 und R3. W\u00e4hrend der Ladezeit ist der Ausgang des NE555 positiv, der MOSFET schaltet die Minusleitung durch und die Betriebsspannung liegt am Raspberry an. Erreicht die Spannung am Ladekondensator C1 etwa zwei Drittel der Betriebsschaltung, schaltet der Ausgang des NE555 am Pin 3 auf Masse, ebenso schaltet Pin 7 auf Masse und entl\u00e4dt somit der Kondensator langsam \u00fcber R1. W\u00e4hrend der Entladezeit bleibt der Raspberry stromlos. Die LEDs dienen lediglich dazu, den Zustand der Schaltung anzuzeigen – Sie k\u00f6nnen sie auch inkl. der Vorwiderst\u00e4nde weglassen.<\/p>\n

    Programmierung f\u00fcr den Akku-Betrieb<\/h3>\n

    Sie brauchen noch einen Prozess, der das Herunterfahren abschlie\u00dft, bevor die Elektronik den Strom ausschaltet.<\/p>\n

    Dazu tragen Sie in CRON einen Prozess ein, der das Ausschalten \u00fcbernimmt. F\u00fcr Wartungsaufgaben ist das jedoch nachteilig. Also ist in dem Ausschalteprozess ein Mechanismus implementiert, der das Ausschalten steuerbar macht: Wenn es im Verzeichnis \/boot eine Datei autoshutdown gibt, schaltet das Programm den Raspi ausg. Wenn es die Datei nicht gibt, bleibt der Raspi an. Um das Verhalten des Raspis nun zu steuern, k\u00f6nnen Sie die SD-Karte in Ihren Rechner stecken (das Verzeichnis \/boot ist als FAT-Partition sichtbar) und mit einem Texteditor die Datei anlegen oder sie umbenennen.<\/p>\n

    Den Cron-Eintrag erzeugen Sie mit<\/p>\n

    crontab -e<\/pre>\n
    Dann in CRON einf\u00fcgen:<\/p>\n
    @reboot sleep 120; sudo \/home\/pi\/autoshutdown.sh<\/pre>\n
    Das Programm autoshutdown.sh erzeugen Sie mit dem Editor nano im Verzeichnis \/home\/pi<\/p>\n
    nano autoshutdown.sh<\/pre>\n
    Das Programm:<\/p>\n
    #!\/bin\/bash<\/span>\r\n\r\n# Herunterfahren aus cron<\/span>\r\n\r\n# erwartet Datei autoshutdown in \/boot<\/span>\r\n\r\n# wenn vorhanden: herunterfahren, sonst: nicht<\/span>\r\n\r\n# 12.09.2020 Claus Brell<\/span>\r\n\r\nif<\/span> [<\/span> !<\/span> -f<\/b><\/span> \/boot\/autoshutdown <\/span>];<\/span> then<\/span>\r\n\r\n\u00a0 \u00a0 <\/span><\/span>echo<\/b><\/span> \"Keine Datei \/boot\/autoshutdown gefunden\"<\/b><\/span>\r\n\r\nfi<\/span>\r\n\r\nif<\/span> [<\/span> -f<\/b><\/span> \/boot\/autoshutdown <\/span>];<\/span> then<\/span>\r\n\r\n\u00a0 \u00a0 <\/span><\/span>echo<\/b><\/span> \"Ok: \/boot\/autoshutdown gefunden\"<\/b><\/span>\r\n\r\n\u00a0 \u00a0 <\/span>sleep 1<\/span>\r\n\r\n\u00a0 \u00a0 <\/span><\/span>echo<\/b><\/span> \"automatisches Herunterfahren\"<\/b><\/span>\r\n\r\n\u00a0 \u00a0 <\/span>sleep 1<\/span>\r\n\r\n\u00a0 \u00a0 <\/span>\/sbin\/shutdown now <\/span>\r\n\r\nfi<\/span><\/pre>\n
    Testergebnisse<\/h2>\n
    Vortest<\/h3>\n
    \u00dcber drei Tage durchlitten die Schaltung und der Raspi den Test des Akku-Betrieb. Mit einem Monitor wurde stichprobenartig kontrolliert, ob der Raspi vor dem Ausschalten herunterf\u00e4hrt. Das funktioniert gut, mit noch deutlichem Zeitpuffer.<\/p>\n
    Labortest<\/h3>\n
    Im Labortest wurde das Verhalten mit zwei Akkutypen gepr\u00fcft. Es kamen jeweils vier AA NiMH-Akkus mit einer Kapazit\u00e4t von 2500 mAh und vier NiMH-Akkus AAA mit einer Kapazit\u00e4t von 1000mAh zum Einsatz. Die Akkus wurden vor jederm Messdurchlauf jeweils vollgeladen (Ladeger\u00e4t Ansmann). Mit einem vollen Akkusatz wurde einmal die Laufzeit ohne die Energiemanagement-Schaltung und einmal mit Energiemanagement-Schaltung gemessen.<\/p>\n
    Um ein deutlicheres Ergebnis zu erzielen, wurden C=1000muF und R1=220kOhm gesetzt. Ein Gesamtzyklus betr\u00e4gt mit dieser Dimensionierung etwa 20 Minuten. Die An-Zeit ist etwa drei Minuten, so dass der Raspberry jeweils nach zwei Minuten sauber herunterf\u00e4hrt.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n
    <\/th>\nEnergie Management<\/th>\nLaufzeit<\/th>\n<\/tr>\n
    AAA 2500mAh<\/td>\nohne<\/td>\n23:33 h<\/td>\n<\/tr>\n
    AAA 2500mAh<\/td>\nmit<\/td>\nnicht gemessen<\/td>\n<\/tr>\n
    AA 1000mAh<\/td>\nohne<\/td>\n06:00 h<\/td>\n<\/tr>\n
    AA 1000mAh<\/td>\nmit<\/td>\n23:56 h<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n
    Es scheint also m\u00f6glich, einer Raspberry als IoT-Ger\u00e4t fast 24 Stunden Stunden mit einem kleinen AAA-Akkusatz betreiben zu k\u00f6nnen. Bemerkenswert ist, dass ohne Energiemanagement die Laufzeit des Akkusatzes mit 1000mAh deutlich weniger als 1\/2,5*Laufzeit des Akkusatzes mit 2500mAh (erwartet: etwa 09:20 h) betr\u00e4gt. Vermutlich liefern die kleinen Akkus, wenn sie schon etwas ersch\u00f6pft sind, nicht mehr die hohen Stromspitzen, die selbst der Raspberry Zero beim Hochfahren bzw. bei der WLAN-\u00dcbertragung ben\u00f6tigt.<\/p>\n
    Feldtest<\/h3>\n
    Der Feldtest findet derzeit drau\u00dfen auf einem Garagendach statt. Mit einem sechs Volt \/ f\u00fcnf Watt Solarpanel wird \u00fcber eine 3A Schutzdiode ein 1,2Ah Bleigel-Akku geladen. \u00dcber zwei 1 A Schutzdioden, die die Akkuspannung auf ein f\u00fcr den Raspberry ertr\u00e4gliches Ma\u00df (max. 6,5 Volt) reduzieren, ist die Energiemanagement-Schaltung und der Raspberry Pi Zero angeschlossen. Erwartet wird, dass der Akku ohne Lademanagement (wegen des geringen Ladestroms des Solarpanels) den energiegemanagten Raspberry ohne Unterbrechung betreibt. Der Feldtest wird \u00fcber den ganzen Winter 20 \/ 21 erfolgen.<\/p>\n
    Update April 2021: Die Schaltung funktioniert, etwas eleganter, preiswerter und mit weniger Bauteilen geht es tats\u00e4chlich mit einem Mikrocontroller. Diese L\u00f6sung werden wir zuk\u00fcnftig pr\u00e4ferieren.<\/p>\n
     <\/p>\n
    Fazit Zeitsteuerung f\u00fcr den Akku-Betrieb<\/h2>\n
    Mit dem hier vorgestellten Verfahren ist es m\u00f6glich, eine deutliche Strombedarfsreduzierung bei IoT-Projekten mit dem Raspberry Pi zu erreichen. Der Aufwand f\u00fcr die Variante mit Steckbrett betr\u00e4gt etwa 2 Stunden. Die Bauteile kosten nur wenige Euro. Im Akku-Betrieb wird ein Raspberry fast drei mal so lange laufen wie ohne die Schaltung.<\/p>\n
    Quellen (und weiterlesen)<\/h2>\n
    Coole Raspberry Pi Projekte im Wirtschaftsinformatik Studium<\/a><\/p>\n
    Raspberry Pi Lehrerworkshop<\/a><\/p>\n
    Raspberry Pi Grundsystem aufsetzen<\/a><\/p>\n
    Raspberrry Pi SD-Karte sch\u00fctzen<\/a><\/p>\n
    Ein paar Infos zum Timer-IC NE555<\/a><\/p>\n
    Datenblatt NE555<\/a><\/p>\n
    Datenblatt IRLB3034<\/a><\/p>\n
    Bezugsquelle NE555<\/a><\/p>\n
    Bezugsquelle IRLB3034<\/a><\/p>\n
    Solarbetrieb Test f\u00fcr Raspberry Pi mit vs. ohne Akku<\/a><\/p>\n
     <\/p>\n
     <\/p>\n
    <\/p>\n
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