Tech: Meteostanica – MeteoGeM_v1
src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/mathjax@3/es5/tex-mml-chtml.js">
…….článok je ešte v procese…….
Ako som postavil vlastnú batériovú meteostanicu s ESP8266 a MQTT
Už dlho ma lákala myšlienka mať prehľad o tom aká je teplota a vlhkosť nielen v byte ale aj vonku. Chcel som si to ale riešiť po svojom žiadne hotové IoT hračky ale vlastný projekt ktorý si sám zladím a prispôsobím.
A tak sa zrodil nápad na dvojicu meteostaníc: jednu do bytu a druhú von s tým že obidve budú napájané z batérie a čo najviac úsporné.
#### Nápad a požiadavky
Moje požiadavky boli:
1. Meranie teploty, vlhkosti a tlaku každých 15 minút.
2. Odosielanie dát na NAS cez MQTT aby som ich mohol ďalej spracovávať.
3. Zariadenia musia byť úplne autonómne a napájané z Li-Ion batérií.
4. Medzi meraniami sa má celé zariadenie vypnúť aby batérie vydržali čo najdlhšie. (žiadny deep sleep mode)
5. Sledovanie stavu batérie
> Znie to jednoducho ale ako vždy… diabol je v detailoch.
#### Výber komponentov
Po chvíľke premýšľania som skončil pri týchto súčiastkach:
ESP8266 – lacný WiFi mikrokontrolér.
BME280 – senzor na teplotu, vlhkosť a tlak. Malý, presný a komunikuje cez I²C.
TPL5110 – „super power timer“ od Texas Instruments ktorý dokáže úplne odpojiť napájanie a prebudiť zariadenie v zadanom intervale.
Pololu U1V11F3 – DC/DC menič na stabilné 3,3V pre ESP. Regulátor zvyšuje napätie v rozsahu od 0,5 do 5,5 V na konštantnú hodnotu 3,3 V.
2× Li-Ion 18650 – zdroj energie.
(….kompletný zoznam súčiastok a schéma budú doplnené…….)
#### Softvérová časť
Samozrejme s pomocou AI som napísal jednoduchý kód v Arduine (code MeteoGeM_v1). Funguje to takto:
1. Po zapnutí sa ESP pripojí na WiFi.
2. Inicializuje BME280 ak ho nenájde reštartuje sa.
3. Získa aktuálny čas z NTP a prevedie ho na lokálny (vrátane letného/zimného času).
4. Pripojí sa na MQTT broker (bežiaci na NAS).
5. Zmeria teplotu, vlhkosť, tlak a napätie batérie.
6. Všetko odošle na príslušné MQTT topicy.
7. Vysiela DONE signál pre TPL5110 a čaká kým sa zariadenie úplne vypne.
8. Ak sa čokoľvek pokazí (WiFi, MQTT, senzor), ESP sa jednoducho reštartuje a skúsi to znova.
TPL5110 – malý čip, veľká záchrana batérie
Najväčšia výzva bola nastaviť TPL5110. Tento malý čip sa správa ako inteligentný „vypínač“ – drží ESP úplne vypnuté a prebúdza ho len v nastavených intervaloch. Nakonfigurovať ho na 15 minút bola celkom sranda.
Po tom čo ESP odošle dáta musí ešte odoslať DONE signál. Tým dá TPL5110 najavo že môže zase odpojiť napájanie a čakať na ďalšie prebudenie.
> Vďaka tomu mám istotu že ESP medzi meraniami nežerie batériu v deep sleep režime ale je naozaj úplne odpojené.
#### Testovanie a výsledky
Keď som to prvýkrát spustil, bol to krásny moment… nič nefungovalo. 🙂
ESP sa prebudilo, pripojilo na WiFi, poslalo dáta a… ostalo zapnuté….
(Popis problému v procese….)
Na NAS-e som si nastavil MQTT server a vizualizáciu dát. Teraz môžem sledovať históriu teplôt a vlhkosti a porovnávať byt vs. vonkajšie prostredie.
(Popis nastavenia a testovanie v procese….)
#### Testovanie a vyhodnotenie spotreby meteostanice
Po dokončení hardvéru bolo potrebné otestovať spotrebu a odhadnúť ako dlho dokáže meteostanica fungovať na batérie.
Cieľ bol jasný – zistiť či 2× Li-Ion 18650 (2200 mAh, paralelne = 4400 mAh) vydržia aspoň niekoľko mesiacov pri intervale odosielania dát každých 15 minút.
#### Spotreba jednotlivých komponentov
| Komponent | Stav | Prúd(mA) | Poznámka |
|—————–|———–|————:|———————————————-|
| WeMos D1 Mini | aktívny | ~150 | WiFi + MQTT, cca 5 s |
| BME280 | meranie | ~0.2 | zanedbateľné oproti WeMos |
| TPL5110 | standby | 0.000035 | len počas vypnutia, zanedbateľné |
| Pololu U1V11F3 | prevádzka | – | efektivita cca 85–90 % (zohľadnené vo výpočtoch) |
Poznámka:
Počas „spánku“ je WeMos fyzicky odpojený od napájania pomocou TPL5110 takže spotreba v neaktívnej fáze je prakticky nulová.
Hlavnú časť dennej spotreby teda tvorí krátka aktívna fáza každých 15 minút.
#### Výpočet spotreby a odhad výdrže batérie
Predpoklady a hodnoty použité vo výpočtoch
– Prúd počas aktívnej fázy pri 3.3 V: WeMos + BME280
$$
I_{\text{active}} = 150.2\ \mathrm{mA}
$$
– Dĺžka aktívnej fázy:
$$
t_{\text{active}} = 5\ \mathrm{s}
$$
– Interval prebudenia: 15 min
$$
n_{\text{cyklov}} = 96\ \mathrm{cyklov/deň}
$$
– DC/DC účinnosť:
$$
\eta_{\text{DC}} = 0.85 \ (\text{85 \%})
$$
– Batéria: 2×18650 2200 mAh paralelne
$$
Q_{\text{bat}} = 4400\ \mathrm{mAh}
$$
– Použiteľná frakcia kapacity (derating):
$$
f_{\text{usable}} = 0.90 \ (\text{90 \%})
$$
– Samovybíjanie: približne 2 % mesačne
$$
r_{\text{sd,day}} \approx \frac{0.02}{30} \approx 0.00067\ \text{(zlomok/deň)}
$$
#### Výpočet
1) Spotreba počas jedného cyklu na 3.3 V strane
$$
t_{\text{active}} = \frac{5}{3600}\ \mathrm{h} \approx 0.001389\ \mathrm{h}
$$
$$
Q_{\text{cyklus,load}} = I_{\text{active}} \cdot t_{\text{active}}
\approx 150.2 \cdot 0.001389 \approx 0.208\ \mathrm{mAh}
$$
2) Prepočet na batériovú stranu (zohľadnenie DC/DC účinnosti)
$$
Q_{\text{cyklus,batt}} = \frac{Q_{\text{cyklus,load}}}{\eta_{\text{DC}}}
\approx \frac{0.208}{0.85} \approx 0.245\ \mathrm{mAh}
$$
3) Denná spotreba bez samovybíjania
$$
Q_{\text{den}} = n_{\text{cyklov}} \cdot Q_{\text{cyklus,batt}}
= 96 \cdot 0.245 \approx 23.52\ \mathrm{mAh/deň}
$$
4) Pripočítanie samovybíjania batérie (denný príspevok)
$$
Q_{\text{sd/day}} = Q_{\text{bat}} \cdot r_{\text{sd,day}}
= 4400 \cdot 0.00067 \approx 2.95\ \mathrm{mAh/deň}
$$
Celková denná spotreba:
$$
Q_{\text{den,eff}} = Q_{\text{den}} + Q_{\text{sd/day}} \approx 23.52 + 2.95 \approx 26.47\ \mathrm{mAh/deň}
$$
5) Použiteľná kapacita batérií (derating)
$$
Q_{\text{bat,usable}} = Q_{\text{bat}} \cdot f_{\text{usable}} = 4400 \cdot 0.9 = 3960\ \mathrm{mAh}
$$
6) Odhad výdrže
$$
t_{\text{vydrz}} = \frac{Q_{\text{bat,usable}}}{Q_{\text{den,eff}}}
= \frac{3960}{26.47} \approx 149.6\ \mathrm{dní} \approx 5.0\ \mathrm{mesiacov}
$$
Poznámky:
Ak by DC/DC účinnosť bola lepšia (napr. 90 %), alebo samovybíjanie menšie, výdrž by rástla.
V reálnom prostredí môže teplota výrazne ovplyvniť kapacitu batérie (nižšie teploty = nižšia použiteľná kapacita).
Ak by sa aktívny čas predĺžil (napr. dlhšie WiFi pripojenie), Q_cycle sa zvýši proporcionálne.
#### Čo ďalej?
Plánujem:
Pridať webové rozhranie alebo integráciu do Home Assistanta.
Vytlačiť elegantnú krabičku.
Otestovat spotrebu v reálnych podmienkach.
#### Záver
Tento projekt mi ukázal že aj relatívne jednoduchá myšlienka (merať teplotu každých 15 minút) sa dá spraviť elegantne a efektívne ak si človek dá pozor na spotrebu energie.
ESP8266, BME280 a TPL5110 sa ukázali ako ideálna kombinácia pre lacnú a úspornú meteostanicu ktorá dokáže fungovať na batériu veľmi dlho.