Alimentare con l'energia solare il mio sensore di umidità Wemos

Dopo aver costruito il mio sensore di umidità con Wemos, volevo renderlo indipendente dal portatile e dalla rete elettrica. In questo breve articolo spiegherò i componenti che ho scelto, con una piccola descrizione del ragionamento. Per approfondire gli strumenti che mi sono stati utili in questa fase, puoi confrontarlo con l'articolo Strumenti di misura per determinare il consumo del Wemos.

Prima di scegliere i componenti, però, ho dovuto cercare di capire quanto il Wemos consumasse. Questo significa capire il consumo del firmware prima per un singolo ciclo e poi per tutta la settimana.

Consumo giornaliero

Quando il Wemos si collega, la corrente sale a circa 0,07 A, cioè 70 mA. Il Wemos è alimentato a 5 V dall'ingresso USB e il tempo di esecuzione del firmware è di circa 5 secondi.

Cinque secondi corrispondono a 0,00139 ore, quindi il consumo di un ciclo è:

0,07 A × 0,00139 h = 0,000097 Ah
                         = 0,097 mAh

Se consideriamo anche due cicli al giorno il calcolo sarà:

0,097 mAh × 2 = 0,194 mAh al giorno

Per arrivare a questo risultato ho comprato un piccolo tester. Questo somiglia molto a una chiavetta USB, ma è in grado di calcolare la tensione e la corrente assorbita da un componente.

Per quanto riguarda la fase di deep sleep del Wemos, il tester non era in grado di calcolarne l'assorbimento e quindi, cercando in rete, ho proceduto con una stima di circa 0,15 mA, portando il calcolo giornaliero a 3,6 mAh:

0,15 mA × 24 h = 3,6 mAh al giorno

Sommando poi il deep sleep con i due cicli attivi, ottengo una stima del consumo di circa 3,8 mAh al giorno.

Questi 3,8 mAh, però, sono misurati sul lato a 5 V, cioè sull'ingresso USB, mentre la batteria ha una tensione nominale di circa 3,7 V. I milliampereora dei due lati non si possono confrontare direttamente, quindi passo dall'energia:

3,8 mAh × 5 V / 1000 = 0,019 Wh al giorno

Considerando un rendimento del convertitore step-up del 90%, la carica che la batteria deve fornire ogni giorno diventa:

0,019 Wh / 0,90 / 3,7 V × 1000 = 5,7 mAh al giorno

Progettazione energetica

Per una settimana il calcolo diventa:

5,7 mAh × 7 giorni ≈ 40 mAh

Non volevo scegliere una batteria al limite, perché in inverno c'è meno sole, il Wi-Fi crea dei picchi di corrente e la batteria non deve essere scaricata completamente. Per avere un margine ho moltiplicato il risultato per dieci:

40 mAh × 10 = 400 mAh

Avrei quindi potuto scegliere una batteria da 1000 mAh oppure una da 2600 a 3000 mAh. Queste batterie non sono molto comuni e si trovano quindi soltanto in negozi o siti specializzati in elettronica. Vivo a Milano e ho trovato un negozio molto fornito che si chiama Lady Elettronica.

Di seguito le due batterie che ho deciso di comprare, da 2600 mAh e 3500 mAh:

Scegliere la batteria

Ho scelto la batteria considerando tre criteri:

1. la tensione;
2. la capacità;
3. la corrente massima che può fornire.

Il Wemos lavora a 3,3 V. Per questo ho considerato una singola cella agli ioni di litio, cioè una batteria 1S, con tensione nominale di 3,7 V e tensione massima, quando è completamente carica, di 4,2 V.

La batteria deve inoltre sopportare i picchi del Wi-Fi, che possono arrivare a circa 250 o 300 mA. Ho deciso quindi di scegliere un modello di tipo 18650 da 3000 mAh, perché ha una capacità molto superiore al minimo calcolato, un costo contenuto e una capacità in mAh molto comune. Come riportavo sopra, però, al negozio ne ho trovate soltanto da 2600 mAh e 3500 mAh e, visto che possono sempre servire, le ho comprate entrambe.

Scegliere il pannello solare

Un pannello solare produce potenza e quindi la sua scelta si dimensionerà in base ai wattora prodotti. Il consumo giornaliero l'ho già convertito in energia qui sopra, con la formula:

Wh = (mAh × V) / 1000

Dove V è la tensione del lato su cui ho misurato la corrente, cioè i 5 V dell'ingresso USB, e il risultato era 0,019 Wh al giorno.

Quanto potrà produrre il mio pannello? Il mio balcone è esposto a est, quindi, con un pannello da 2 W e circa sette ore di sole ottengo una potenza erogabile di 14 wattora:

2 W × 7 h = 14 Wh

Il Wemos va alimentato a 5 V, che il convertitore step-up ricava dai 3,7 V della batteria, e a bordo il regolatore della scheda porta poi la tensione ai 3,3 V della logica. Il modulo di ricarica, invece, vuole in ingresso una tensione di circa 5 V, quindi ho optato per un pannello da 2 W e 5 V:

Modulo di ricarica e convertitore step-up

Il pannello non può essere collegato direttamente alla batteria, perché potrebbe sovraccaricarsi, durare meno o danneggiarsi. Serve quindi un modulo di gestione ricarica tra il pannello e la batteria.

Senza pensarci troppo ho scelto un modello TP4056 con USB-C con protezioni DW01A e FS8205A contro sovracorrente e cortocircuito. La scelta è dovuta al fatto che è un modulo adatto per la ricarica di una batteria al litio fino a 4,2 V.

Infine, ho dovuto considerare che la tensione della batteria diminuisce durante la scarica, mentre il Wemos ha bisogno di una tensione costante. Per questo ho aggiunto un convertitore step-up, che porta l'uscita della batteria a 5 V stabili.

L'immagine che ho riportato è un mio disegno manuale del percorso che mi sono immaginata e che può essere tradotto così: il pannello fornisce energia, il modulo gestisce la ricarica (per evitare un sovraccarico del nostro accumulatore), la batteria la accumula e il convertitore mantiene costante la tensione che alimenta il Wemos.

sole → pannello solare → modulo di ricarica → batteria
     → convertitore step-up a 5 V → Wemos → sensore di umidità