Stromversorgung

Das HC-50 teilt die Aufgaben so auf, dass nur dort Strom nötig ist, wo er auch zur Verfügung steht: Das Gateway hängt am Netzteil und hört dauerhaft auf Funksignale. Die Nodes laufen mit einer Batterie und sind dank Tiefschlaf sehr sparsam. So lassen sich Messstellen auch dort betreiben, wo es weit und breit keine Steckdose gibt.

Gateway: Netzbetrieb

Ein Gateway muss jederzeit bereit sein, Pakete seiner Nodes zu empfangen. Es kann deshalb nicht schlafen und wird mit einem handelsüblichen USB-Netzteil (5 V) betrieben. Das Netzteil wird am Aufstellort an eine Steckdose angeschlossen, siehe Gateway-Anleitung. Es ist für den Dauerbetrieb im Freien vorgesehen.

Node: Batteriebetrieb

Der Node kommt mit einer einzigen Batterie aus, weil er fast immer schläft. Ein Messzyklus dauert nur kurz:

1. Der Node wacht auf.
2. Er liest seine Sensoren aus.
3. Er sendet die Werte per LoRa an das Gateway.
4. Er wartet kurz auf die Empfangsbestätigung.
5. Er schläft bis zum nächsten Zyklus wieder ein.

In den Schlafphasen ist der Prozessor praktisch aus. Der Unterschied zwischen den Betriebsarten ist enorm, wie die Richtwerte für den Prozessor (ESP32-Familie) zeigen:

Der Node nutzt den Tiefschlaf. Die Zeit zwischen zwei Messungen verbraucht damit fast keinen Strom. Das Verhältnis von Schlafzeit zu Aktivzeit entscheidet über die Laufzeit.

Wovon die Laufzeit abhängt

Die Batterie hat 6000 mAh. Wie lange das reicht, hängt von diesen Faktoren ab:

• Messintervall: Je seltener der Node aufwacht, desto länger hält die Batterie. Das ist der wichtigste Hebel. Im Feldeinsatz wird das Intervall deutlich länger gewählt als in der Vorabversion, die zum schnellen Testen etwa alle 20 Sekunden misst.
• Sensoren: Jeder Sensor braucht beim Messen Strom. Manche brauchen eine Aufwärmzeit oder einen höheren Strom als andere.
• Funkverbindung: Der Node regelt seine Sendeleistung selbst und erhöht sie nur, wenn es nötig ist. Bei schlechter Verbindung sendet er öfter und stärker. Ein guter Standort des Gateways spart also Batterie, siehe LoRa Funktechnik.
• Temperatur: Die Station ist für −20 bis 70 °C ausgelegt. Bei Kälte sinkt die nutzbare Kapazität jeder Batterie.
• Dauerbetrieb: Funktionen, die den Node wach halten, z.B. der Paxcounter, erhöhen den Verbrauch stark. Setzen Sie sie nach Möglichkeit mit Netzteil statt mit Batterie ein, siehe Node-Anleitung.

Warum eine wiederaufladbare LiFePO4-Zelle?

Lithium-Einwegzellen wie die CR123 halten ihre Spannung von 3 V lange konstant, haben eine sehr geringe Selbstentladung und funktionieren auch bei −20 °C noch gut. Eine Varta CR123 (3 V, 1700 mAh) schafft bei einem sparsamen Gerät sogar einen Standby-Betrieb von über fünf Jahren, abhängig davon, wie oft das Gerät aufwacht und wie lange es funkt.

Für das HC-50 haben wir uns trotzdem für eine wiederaufladbare Lithium-Eisenphosphat-Zelle entschieden:

• Mehr Kapazität: 6000 mAh statt 1700 mAh.
• Wiederverwendbar: Rund 1000 Ladezyklen statt Wegwerfzellen, das spart Kosten und Abfall.
• Sicher: Der Zelltyp ist thermisch stabil und hat keinen Memory-Effekt.
• Überwachbar: Entladung und Zustand werden gemessen und in der Cloud ausgewertet.

Geladen wird das Modul im HC-50 CHRGR, alle Details stehen auf der Seite HC-50 Batterie.

Solar

Bald steht ein Solarmodul mit integrierter Batterie zur Verfügung. Es lädt die Batterie tagsüber nach. An geeigneten Standorten arbeitet eine Messstation damit völlig autark, ohne dass Batterien getauscht werden müssen. Das Solarmodul ist noch in Entwicklung.

Exkurs: Radionuklidbatterien

Radionuklidbatterien wären für Messstationen an entlegenen Orten äußerst interessant, denn sie liefern über Jahrzehnte Strom. Sie sind aber aus gutem Grund genehmigungspflichtig und vornehmlich militärischen und wissenschaftlichen Anwendungen vorbehalten. Sollten Sie Zugang zu Radionuklidbatterien haben, würden wir uns freuen, auch dafür ein Batteriemodul zu entwickeln ;)

_{Weitere Informationen: Radionuklidbatterie (Wikipedia)}