NodeMCU: ESP8266 mit Solarzelle und Akku mit Strom versorgen

Wer eine Wetterstation betreiben will, der muss sich auch um die Stromversorgung Gedanken machen. Ideal ist eine autonome Versorgung mit Strom mittels Akkus. Da ist die ESP8266 Solar-Panel Stromversorgung natürlich naheliegend. Tagsüber wird der Mikrocontroller mit dem Strom der Solarzelle versorgt und gleichzeitig wird ein Akku geladen. In der Nacht kommt dann dieser Energiespeicher zum Einsatz.

In diesem Tutorial schauen wir uns an, wie wir den ESP8266 mit der Solarzelle verbinden und was wir für den Akkubetrieb brauchen.

Zubehör

Der ESP8266 kann mit 5V per USB, als auch mit 3.3V mit Strom versorgt werden. Damit wir eine lange Akkulaufzeit erreichen, nutzen wir 3.3V und entsprechende Akkus mit höherer Spannung. Anschließend drosseln wir diese. Die Solarpanels sollten mindestens 5V liefern, besser sind 6V. Dabei empfehle ich, dass jedes Solarmodul mindestens 500mA (besser 750mA) liefern kann.

In meinem Fall habe ich folgende Bauteile verwendet:

• NodeMCU Devboard bzw. ESP-01
• 6V Solarpanel (du kannst auch mehrere verwenden)
• Akku: Li-Ion Typ 18650B (mit 3.7V) + Halterung
• Akku Lademodul: Typ TP4056
• 3.3V Spannungsregler (MCP1700-3302E), z.B. bei ebay
• Kondensatoren (100uF, leicht abweichende Werte gehen aber auch)
• Kabel + Lötutensilien (oder Krokodilklemmen)

Alternativ zu den 3.7V Panasonic NCR18650B Batterien kannst du auch normale 1.2V Akkus in Reihe schalten, wobei diese weniger Kapazität (mAh) haben. Als Alternative oder zum Testen sind sie (mit einem Batteriehalter) dennoch zu gebrauchen.

Aufbau und Anschluss der Solarpanels am ESP8266

Damit wir mit dem ESP8266 Solar-Panele nutzen können, brauchen wir eine konstante Spannung von 3.3V. Hier könnten wir einfach nur einen linearen Spannungsregler zwischen Solarzelle und ESP verwenden. Das hat allerdings den Nachteil, dass die Stromverbindung abbricht, sobald die Sonne nicht mehr scheint.

Aus diesem Grund muss ein Akku dazwischengeschaltet werden. Sofern das Solarpanel genügend Strom generiert, soll der ESP davon versorgt und gleichzeitig der Akku geladen werden. In der Nacht soll der Akku dann seine Energie an den ESP8266 abgeben. So ist die konstante Stromversorgung sichergestellt. Hierfür gibt es spezielle Lademodule, wie den TP4056, die diese Aufgabe übernehmen.

Das Lademodul hat insgesamt drei Slots (jeweils mit Plus und Minus Pol). Zunächst schließen wir an + und – (neben dem USB-Port) die Solarzelle an. Falls du mehrere Solarzellen verwendest, kannst du diese parallel anschließen (alle Plus-Pole an +, alle Minus-Pole an –). An B+ und B- wird der Akku bzw. die Akkuhalterung angeschlossen (Plus an Plus, Minus an Minus). Auch hier kannst du mehrere Batterien parallel verbinden, sodass längere Dunkelphasen besser überstanden werden können, ohne dass der Strom aus geht. Gerade im Winter ist dies sehr nützlich

Bleibt noch der OUT+/OUT- Anschluss. Hieran schließen wir den ESP8266 an, jedoch brauchen wir davor noch den Spannungsregler, damit konstant 3.3V abgegeben werden. Dieser hat 3 Anschlüsse (VIN, VOUT, GND) und wir schließen ihn entsprechend dem folgenden (Schaubilds) an. Zwischen GND und VOUT kommt der Kondensator (kürzerer Pin an GND):

Bei dem Elektrolytkondensator (100uF) ist es wichtig, dass die längere Seite (+) an VOUT angeschlossen wird und die kürzere Seite an GND. Du kannst nun mit dem Multimeter nachmessen. Die Spannung sollte konstant bei 3.3V liegen, auch wenn die Solarzellen verdeckt sind.

Zu guter Letzt schließen wir VOUT und GND noch an den ESP-01/NodeMCU an (hierbei nehmen wir den 3.3V Pin sowie GND.

Mit dem ESP8266 Solarzellen- und Batteriespannung messen

Je nach Wetter und Jahreszeit wird die Batterie mehr oder weniger gut aufgeladen. Damit die Spannung nicht zu sehr sinkt, ist es sinnvoll den Batteriestand zu kennen und ggf. die Leistung zu reduzieren oder sogar den ESP in einen Standby-Modus zu versetzen.

Die ESPs mit mehr Pins haben oft auch einen analogen Pin, mit dem wir Spannungen bis zu 3.3V messen können. Das Problem ist allerdings, dass der Li-Ion Akku bis zu 3.7V ausgeben kann (manche Quellen sprechen sogar von bis zu 4.2V). Diese Spannung kann den ESP beschädigen, deshalb müssen wir die Spannung niedriger bekommen. Dazu nutzen wir einen Spannungsteiler, den wir mit zwei Widerständen einfach selbst bauen können:

Wir wissen hier, dass sie maximale Spannung U = 3.7V ist und wollen eine Ausgangsspannung U2 = 3.3V erreichen. Dies geht laut Gleichung folgendermaßen:

U2 = (U * R2) / (R1 + R2)

Wir können die beiden Widerstände R1 und R2 also frei wählen. Hier kannst du entweder deine eigenen Werte berechnen, oder R1 = 12k Ω, R2 = 100k Ω nehmen.

3.3V = (3.7V * 100kΩ) / (12kΩ + 100kΩ)

Falls die maximale Spannung deiner Batterie mehr oder weniger als 3.7V beträgt, musst du die Werte entsprechend anpassen.

Nun schließen wir den den analogen ESP Pin zwischen die beiden Widerstände, wobei R1 an VOUT des MCP1700-3302E angeschlossen wird und das andere Ende von R2 an GND.

Anschließend können wir den analogen Spannungswert am ESP32 / NodeMCU Development Board abfragen. Dies geht mit dem analogen Pin 10 / ADC0 (siehe oberes Pin Schaubild). Beim ESP32 ist es GPIO 33.

analogRead(0);

Der Wert ist ein 12Bit Wert (0 bis 4095) und gibt den Pegel an. Um die Spannung festzustellen, müssen wir also durch 4095 dividieren und mit 3.3 multiplizieren.

Strom sparen mit Deepsleep

Falls der ESP8266 nur durch ein Solarpanel mit Strom versorgt, so ist es umso wichtiger, dass der Verbrauch nicht allzu hoch ist. Natürlich hängt das von verschiedenen Faktoren ab. Du solltest die Solarzellen an Orten mit möglichst langer und hoher Lichteinstrahlung stellen. Außerdem sind rechenintensive Aufgaben am ESP8266 nicht zu empfehlen.

Um also möglichst sparsam zu sein, gibt es einige Möglichkeiten:

1. Deepsleep: Die einfachste Methode ist den ESP „schlafen zu lassen„, sofern er nichts berechnen muss. Dabei wird allerdings auch die Wifi Verbindung getrennt und der ESP ist in dieser Zeit nicht von außen ansprechbar. Es eignet sich vor allem, wenn kontinuierlich Werte erfasst (bspw. alle 30 Minuten) und an einen Server gesendet werden sollen.
2. Berechnungen auslagern: Nicht alle Berechnungen müssen auf dem ESP / NodeMCU stattfinden. Sofern möglich kannst du rechenintensive Aktionen von anderen ausführen lassen, wie z.B. von einem Raspberry Pi. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Gesichtserkennung bzw. Machine Learning Algorithmen.
3. Bei niedrigem Akku schlafen gehen: Sofern die Leistung des ESP benötigt wird, können wir auch den Akkustand in einem Intervall messen und erst bei Unterschreiten eines bestimmten Werts den Deep-Sleep aktivieren. Auch können wir nur bei Sonnenstrahlung aktiv sein und die Messungen/Funktionen in der Nacht vermindern.
4. Andere Funkprotokolle verwenden: Das Verbinden mit einem WLan Netzwerk braucht bis zu 200mA, weshalb es im Solarbetrieb bessere Alternativen gibt. Über Protokolle wie Zigbee können auch ohne Wifi Verbindung Werte an eine Hauptstation gesendet werden.

Gerne kannst du weitere Möglichkeiten, um Strom beim ESP8266 Solar-Betrieb zu sparen, in einem Kommentar nennen.