{"id":4048,"date":"2024-01-03T19:58:50","date_gmt":"2024-01-03T18:58:50","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=4048"},"modified":"2024-03-19T10:31:45","modified_gmt":"2024-03-19T09:31:45","slug":"esp8266-im-batteriebetrieb","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/esp8266-im-batteriebetrieb\/","title":{"rendered":"ESP8266 im Batteriebetrieb"},"content":{"rendered":"

Microcontroller wie der ESP8266 sind aufgrund der WLAN-Konnektivit\u00e4t praktisch und eignen sich (eingeschr\u00e4nkt) auch f\u00fcr den Betrieb mit Batterien. F\u00fcr den Einsatz des ESP8266 im Batteriebetrieb kann es sinnvoll sein, einen sog. deep sleep Modus zu nutzen. Die Betriebsdauer l\u00e4sst sich damit erheblich verl\u00e4ngern. Der Beitrag beschreibt einen Testaufbau und verschiedene Testszenarien, um beispielhaft M\u00f6glichkeiten f\u00fcr den ESP8266 im Batteriebetrieb aufzuzeigen.<\/em><\/p>\n

Bearbeitungsstand 19.03.2024<\/p>\n

Das Messverfahren<\/h2>\n

Hardware<\/h3>\n

F\u00fcr die Messungen wird ein ESP8266 D1 Mini verwendet. Des weiteren wird ein 680 kOhm Widerstand, eine Geichrichterdiode, ein Elektrolytkondensator und verschieden Alkali-Batterien (hier durchg\u00e4ngig Alkali Batterien von Aldi)\u00a0 ben\u00f6tigt. Die Batteriespannung wird \u00fcber den ADC des ESP8266 gemessen. Da der ADC eine Maximalspannung von 3,3V vertr\u00e4gt, erh\u00e4lt der ADC einen Vorwiderstand. Dieser bildet mit der internen Beschaltung des ADC mit einem 100 kOhm und einem 220 kOhm Widerstand einen Spannungsteiler, der die Batteriepspanung auf ein Drittel reduziert.\u00a0 Die Batteriespannung wird mit einem 1000 muF Elekrolytkondensator mit vernachl\u00e4ssigbarem Leckstrom am 3,3V Anschluss des ESP gepuffert.<\/p>\n

Datenlogging<\/h3>\n

Das Datenlogging erfolgt \u00fcber einen Webserver mit einem einfachen Werbservice in PHP. Die Daten werden auf dem Webserver in eine CSV-Datei geschrieben.<\/p>\n

Relationenmodell: messung(Unix-Timestamp, Zeit menschenlesbar, Kurzbeschreibung, ADC vor WLAN, ADC mit WLAN, Dauer WLAN-Aufbau in ms)<\/p>\n

Aufbau f\u00fcr Betriebbsspannungen unter 3,6 V<\/h3>\n

F\u00fcr kleine Spannungen wird der 3,3 V-Anschluss des ESP direkt genutzt. Dadurch liegt eine Spannung am Ausgang des internen Spannungsregler an. Der Spannungsregler ist ein einfacher Linearregler, der das problemfrei vertr\u00e4gt.<\/p>\n

Aufbau f\u00fcr Betriebssapnnungen \u00fcber 3,6 V<\/h3>\n

F\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Spannung wird der 5V Anschluss des ESP genutzt. Intern ist der 5V-Anschluss \u00fcber einen Schutzdiode mit dem USB-Anschluss verbunden. Der Betrieb \u00fcber eine externe Schutzdiode l\u00e4sst eine einfaches Programmieren bei Verbleib der Batterie im Testaufbau zu.<\/p>\n

Algorithmus<\/h3>\n
Jede Minute:\r\n Erste Messung der Betriebsspannung\r\n Aufbau der WLAN Verbindung\r\n Zweite Messung der Betriebsspannung\r\n \u00dcbertragung der Werte an den Webservice\r\n Abbau der WLAN-Verbindung\r\n Pause (delay) oder deep-sleep, jeweils 54 Sekunden<\/pre>\n
Software<\/h3>\n
Der Quellcode (f\u00fcr die Arduino-IDE) ist weiter hinten im Anhang.<\/p>\n
Testszenarien<\/h2>\n
Test 1: Energieversorgung mit drei AAA Batterien, WLAN-Abschaltung ohne deep sleep<\/h3>\n
Der Anschluss der Batterien erfolgte \u00fcber Schutzdiode am 5V Anschluss des ESP. Die Leerlaufspannung betrug zum Startzeitpunkt 4,79V, bei Abbruch der Messreihe 2,7V. Start der Messung war am 24.12.2024 21:26, Die Messreihe brach ab am 30.12.2023 4:41. Die Betriebsdauer betrug demnach etwa 127 Stunden oder etwas \u00fcber f\u00fcnf Tage.<\/p>\n
Beim Start betrugen die ADC-Werte 519 und 502, die Spannung f\u00e4llt also nach Einschalten des WLAN leicht ab.<\/p>\n
489 Stunden sp\u00e4ter betrugen die ADC-Werte 421 und 417 bei eine gemessenen Spannung von 4,39V<\/p>\n
Der Strom w\u00e4hrend der WLAN-Verbindung stieg bis zu 170 mA, w\u00e4hrende der Pausen betrug der Strom 35 mA.<\/p>\n
Test 2: Energieversorgung mit drei AAA Batterien, WLAN-Abschaltung und deep-sleep<\/h3>\n
DER TEST L\u00c4UFT DERZEIT NOCH – WIRD FORTGESETZT<\/p>\n
Der Anschluss der Batterien erfolgte \u00fcber Schutzdiode am 5V Anschluss des ESP. Die Leerlaufspannung betrug zum Startzeitpunkt 4,79V, bei Abbruch der Messreihe 2,7V. Start der Messung war am 25.12.2024 xx:xx, Die Messreihe brach ab am xx.01.2023 x:xx. Die Betriebsdauer betrug demnach etwa (Wert folgt) Stunden oder etwas \u00fcber f\u00fcnf Tage.<\/p>\n
Die Werte des ADC waren bei der letzen Messung (Wert folgt)\u00a0 und (Wert folgt)<\/p>\n
Der Strom w\u00e4hrend der WLAN-Verbindung stieg bis zu 170 mA, w\u00e4hrende der Pausen betrug der Strom etwa 2,5 mA.<\/p>\n
Test 3: Labortest Energieversorgung mit zwei AA Batterien, WLAN- Abschaltung und deep-sleep<\/h3>\n
Beschreibung des Testszenarios<\/h4>\n
Der ESP8266 wird direkt am 3,3V Anschluss mit zwei AA Batterien betrieben. Parallel zu den Batterien ist ein 1000muF Elektrolytkondensator geschaltet. Der ADC des ESP ist \u00fcber einen 680kOhm Vorwiderstand an die Batterie angeschlossen. Die Schaltung liegt offen in einem Wohnraum mit 21\u00b0C-23\u00b0C und 32%Luftfeuchtigkeit. Der WLAN-Accesspoint (Fritzbox) ist in 3m Entfernung getrennt durch eine 11,5cm Kalksandstein-Mauer.<\/p>\n
Der ESP sendet Daten \u00fcber WLAN und Internet etwa jede Minute, deep sleep ist 54 Sekunden bei 90muA, die Betriebsdauer je Sendezyklus 6 Sekunden bei etwa 170 mA<\/p>\n
Testzeitraum<\/h4>\n
Start: 03.01.2024 17:34 Ende 18.01.2024 04:19.<\/p>\n
Einzelmesswerte<\/h4>\n
Zu Beginn der Messreihe liefert der ADC ohne WLAN einen Wert von 336 und mit WLAN von 334 bei einer gemessenen Spannung von 3,21V. Weitere Messwerte:<\/p>\n
Zeitpunkt        | Spannung|ADC o. WLAN | ADC m. WLAN\r\n-----------------+---------+------------+-------------\r\n03.01.2024 17:34 |3,21V\u00a0   |336         |334\r\n-----------------+---------+------------+-------------\r\n05.01.2024 12:37 |2,91V  \u00a0 |303         |302\r\n-----------------+---------+------------+-------------\r\n08.01.2024 15:11 |2,75V  \u00a0 |290.        |288\r\n-----------------+---------+------------+-------------\r\n14.01.2024 11:38 |2,48V  \u00a0 |264         |257\r\n-----------------+---------+------------+-------------\r\n18.01.2024 04:19 |n.g.     |221.        |209\r\n-----------------+---------+------------+------------\r\n\r\n\r\n<\/pre>\n
Liste: Einzelmessung (manuell) f\u00fcr den Labortest mit Start am 03.01.2024 und Ende 18.01.2024. Bei einem Messzyklus von etwa 1 Minute lief der Sender 14 Tage und 11 Stunden.<\/p>\n
Ergebnisbewertung<\/h4>\n
Mit einem direkten Anschluss (an 3,3V) von 2 Alkali-Batterien im Format AA l\u00e4sst sich ein Temperatursender mit einem ESP8266 \u00fcber 14 Tage betreiben, wenn einmal pro Minute Daten \u00fcbertragen werden.<\/p>\n
Mit einer Verl\u00e4ngerung des Messzyklus auf 5 Minuten sollte so bis zu 70 Tage und damit mehr als zwei Monate m\u00f6glich sein. Bei einem Discounterpreis von 1,95\u20ac f\u00fcr 10 Batterien lie\u00dfe sich ein Sensor mit 365\/70*2*0,195\u20ac=2,03\u20ac betreiben. Auch in Anbetracht der Lebensdauer elektronischer Komponenten sowie deren \u00f6kologischen Gestehungskosten (Abbau von Lithium, Verwendung seltener Erden, problematisch zu entsorgende Komponenten) scheint ein Betrieb mit Alkali-Einmalbatterien sowohl betriebswirtschaftlich als auch \u00f6kologisch sinnvoll zu sein.<\/p>\n
 <\/p>\n
Test 4: Feldtest „Temperaturlogger Efeu“ Energieversorgung mit 2 AAA Batterien (LR03), deep sleep, 4 Temperatursensoren DS18B20<\/h3>\n
Beschreibung des Testszenarios<\/h4>\n
Der ESP8266 wird direkt am 3,3V Anschluss mit zwei AAA Batterien betrieben. Parallel zu den Batterien ist ein 330muF Elektrolytkondensator geschaltet. Direkt an den Batterien ist ein Strang mit 4 paralellel geschalteten Temperatursensoren DS18B20 angeschlossen. Der ADC des ESP ist \u00fcber einen 680kOhm Vorwiderstand an die Batterie angeschlossen. Die Schaltung ist mit den Batterien in einer Emsa Haushaltsdose untergebracht, die Dose liegt auf dem Blechdeckel einer Bienenbeute. Der WLAN-Accesspoint (TP-Link Nano) ist in 3m Entfernung aufgebaut. Der Messaufbau war an einigen Tagen Temperaturen unter -5\u00b0C\u00a0 ausgesetzt.<\/p>\n
Der ESP sendet Daten \u00fcber WLAN und Internet etwa jede Minute, deep sleep ist 54 Sekunden, die Betriebsdauer je Sendezyklus 6 Sekunden<\/p>\n
Testzeitraum<\/h4>\n
Start: 06.01.2024 20:46, Ende 12.01.2024 20:45, Laufzeit 6*24=144 Stunden<\/p>\n
Berechnung des Stromverbrauchs<\/h4>\n
deep sleep 90muA = 0,09mA, im Betrieb maximal 170mA, mittlerer Strombedarf (54s*0,09mA+6s*170mA)\/60s=17,081mA<\/strong>, Gesamtstrommenge w\u00e4hrend der Laufzeit 144h*17,081mA=2459,664mAh. <\/strong>Die Berechnung wird die Gesamtstrommenge \u00fcbersch\u00e4tzen, es ist von einer Kapazit\u00e4t von etwa 1200mAh\u00a0 auszugehen (Quelle: Wikipedia<\/a>)<\/p>\n
Einzelmesswerte<\/h4>\n
Zu Beginn der Messreihe liefert der ADC ohne WLAN einen Wert von 351 und mit WLAN von 243. Bei der letzten Messung liefert der ADC ohne WLAN einen Wert von 214 und mit WLAN von 188. Die Batterien waren nach der Messreihe weitgehend entladen, am 14.01.2024 lieferten die Batterien noch 1,09V und 0,46V<\/p>\n
Ergebnisbewertung<\/h4>\n
\u00dcber 6 Tage l\u00e4sst sich ein ESP8266 als WLAN-Temperaturlogger mit zwei AAA Batterien betreiben. F\u00fcr kurze Messreihen ist der einfache Aufbau gut geeignet. F\u00fcr l\u00e4ngere Messreihen w\u00e4ren zus\u00e4tzliche Ma\u00dfnahmen wie in der folgenden Liste erforderlich:<\/p>\n