Wetterstation | v2

Neuer Ort - neue Anforderungen - neue Wetterstation.

Anforderungen

Groß und mit permanenter Stromversorgung geht nicht überall. Für manch anderes Projekt ist auch ein geringer Stromverbrauch notwendig, da teils keine Stromversorgung vor Ort möglich ist (eines der Projekte: digitalen Stromzähler auslesen).

Auch besteht nicht immer der Platz, einen ganzen Schaltkasten samt 2 m hohem Rohr zur Befestigung von Sensorik mal eben irgendwo zu platzieren.

Möglichst autark, vorzugsweise ohne Akkutausch dank Photovoltaik, sollte es sein, um nicht ständig Gehäuse zerlegen oder mit Powerbanks durch die Gegend rennen zu müssen.

1. Prototyp

Noch recht optimistisch (naiv?) gestimmt hatte der erste Prototyp folgende Komponenten:

  • ESP32 Dev Kit Modul als Steuerung
  • BME280 Multisensor
  • PMS7003 Feinstaubsensor
  • 6x 2 V, 160 mA Solarmodule (von einer Solarlampenreparatur übrig), 2x parallel, 3x in Reihe -> 6 V
  • MPPT Solarladeregler für Li-Ion Akkus
  • 1x 18650er Li-Ion Zelle (ca. 2600 mAh)
  • 5 V DC-DC Boost Modul (später mit 2x 10 µF Elkos "unterstützt")

Am PC funktionierte soweit alles noch recht gut. Als soweit alles fertig programmiert war wurde der Akku noch mal vollgeladen und anschließend der Testaufbau vor das Fenster mit recht langer Sonneneinstrahlung gestellt.

Ergebnisse

Keine Werte vom Feinstaubsensor

Durch den vermutlich sehr schwachen DC-DC Booster lief der Feinstaubsensor scheinbar gar nicht erst an und lieferte somit keine Werte.

Auf dem Modul waren lediglich zwei SMD Kondensatoren, welche vermutlich gerade mal so reichen, dass der Chip eine stabile Versorgung hat und vielleicht der Ausgang ein wenig geglättet wird.

Auch 2x 10 µF Elkos, einer am Eingang und einer am Ausgang des DC-DC Boost Moduls, konnten hierbei nicht helfen.

Im Nachhinein habe ich herausgefunden, dass für das Modul eigentlich 2x 220 µF Elkos empfohlen werden - da sind 10 µF natürlich viel zu wenig.

Laufzeit

Da der Feinstaubsensor recht viel Strom benötigt war dieser von Anfang an eher als optional angedacht. Trotzdem verbrauchte der Aufbau nicht unerhebliche Mengen an Akkulaufzeit und nach ca. 3 Tagen war damit Ende.

2. Prototyp

Da der Stromverbrauch des Feinstaubsensors viel zu hoch ist wurde dieser vorerst aus der Schaltung entfernt. Nach etwas Recherche und ein paar Tests wurde schließlich das ESP32 Modul durch ein ESP8266 Modul ersetzt - dieses reicht für den Verwendungszweck vollkommen aus und brauchte von allen vorhandenen Modulen am wenigsten Ruhestrom. Einer der Hauptverbraucher war bei den "Entwicklungsmodulen" aber der USB-to-Serial Wandler und die LEDs, welche aber standardmäßig verbaut sind.

Ergebnisse

Trotz der Anpassungen war die Laufzeit nur ein paar Tage länger, also nicht ausreichend.

3. Prototyp

Zufällig fand ich ein recht neues Modul, welches zwar wenig Pins besitzt aber dafür sehr sehr klein ist und einen sehr niedrigen Stromverbrauch hat. Nach einigen Diskussionen und Recherche wurde auch die Akkuchemie von Li-Ion auf NiMH geändert.

Bei Temperaturen unter 0 °C, die der Wetterstation logischerweise ausgesetzt werden würde, gibt es kaum Akkutypen, die das gut vertragen. Die Energiedichte der NiMH Akkus ist zwar nicht so groß, diese vergeben aber noch am meisten zu niedrige oder zu hohe Temperaturen.

Aus Erkenntnissen der Wetterstation v1 wurde auch gleich der Sensor gewechselt.

Bis auf die Solarmodule wurden alle Komponenten ausgetauscht:

  • Xiao ESP32-C3 als Steuerung
  • SHT41 Multisensor
  • 6x 2 V, 160 mA Solarmodule (von einer Solarlampenreparatur übrig), 2x parallel, 3x in Reihe -> 6 V, 320 mA
  • 2S NiMH Lademodul
  • TPS63020 Buck-Boost, Step up / Step down Modul. Für 3,3 V Ausgang eingestellt
  • 2x 1,2 V, 2900 mAh AA NiMH Akkus
Wetterstation v2 1

Ergebnisse

Stand 01.01.2024

Bisher läuft die Wetterstation problemlos autark, auch mehrere dunklere Tage werden problemlos überbrückt. Lediglich die Datenübermittlung ist etwas unzuverlässig, was vermutlich an der kleinen WLAN Antenne liegt.

Stand 15.01.2024

Damit die Elektronik gegen die Feuchtigkeit geschützt werden kann wurde die Wetterstation zum Abtauen und Reinung nach innen verlegt. Da die Solarmodule als erstes lackiert werden sollten wurden diese abgebaut und somit wird kein Strom mehr produziert. Seit dem 08.01., mittlerweile also knapp 8 Tage, hat die Akkuspannung bisher nur 100 mV abgenommen.

Stand 23.01.2024

Als ich die Elektronik gereinigt und mit einem Isolationsspray beschichtet habe sah ich mir auch gleich den Code an. Nach einem kleinen Test stellte sich heraus, dass die Zuverlässigkeit der Datenübertragung deutlich besser wurde, als ich nach der Datenübertragung noch einen kleinen Delay von 500 ms eingebaut habe. Stabil läuft es leider noch nicht, hier müsste ich noch ein längeres Delay testen.

Stand 09.03.2024

Der Akku bleibt nach initialer Ladephase nun dank der Solarmodule und der geringen Entladung konstant geladen. Zuletzt gab es einen Abriss der Verbindung trotz vollem Akku, vermutlich war zu dem Zeitpunkt keine WLAN Verbindung möglich. Da bei den Verbindungsversuchen sehr viel Strom verbraucht wird geht da der Akku schnell leer. Wenn die Störung anhält ist dieser also fix mal tot, wie es in diesem Fall war. Ich habe noch einen Check verbaut, der nach 10 Versuchen die Verbindung aufzubauen abbricht und das Modul für 1 Minute in den Deep Sleep setzt.

To be continued...

- Dom