Solar Power WiFi Test

Implementarea unui proiect cu alimentare solară prezintă mai multe avantaje printre care, bineînțeles, se evidențiază independența de rețeaua electrică tradițională. În același timp un astfel de proiect ridică și multe probleme legate de dimensionarea soluției de alimentare și alegerea componentelor potrivite. Care este dimensiunea panoului solar? Ce soluție de stocare a energiei electrice alegem? Ce soluție de încărcare a acumulatorilor este cea mai potrivită? Acestea sunt câteva dintre întrebările la care vom încerca să răspundem în cadrul acestui proiect. Chiar dacă se poate face o evaluare inițială la nivel teoretic, în cadrul testului nostru vom alege varianta testării efective a soluției alese și evidențierea avantajelor și a punctelor slabe ale acesteia.

Ca soluție de maximizare a eficienței captării energiei solare și de încărcare a acumulatorului vom utiliza o componentă MPPT: Sunny Buddy – MPPT Solar Charger.

2

Această componentă permite conectarea unei celule solare cu ieșirea între 6V și 20V și încărcarea unui acumulator LiIon sau LiPo cu o singură celulă (3.7V). Curentul maxim de încărcare este de 450mA deci este necesară utilizarea unui acumulator de capacitate minimă 450mAh. În testul nostru vom utiliza o celulă solară de 2.5W / 9V și un acumulator LiPo de 800mAh. Pentru a supraveghea procesul de încărcare / descărcare a acumulatorului vom utiliza o placă de dezvoltare Adafruit Feather HUZZAH ce va raporta datele măsurate prin intermediul conexiunii WiFi către serviciul cloud iot.robofun.ro. Placa de dezvoltare se va alimenta de la acumulatorul LiPo conectat la componenta MPPT și va servi ca element de descărcare pentru acesta. Pentru o acuratețe mai bună a măsurătorilor vom utiliza o componentă ce va monitoriza nivelul de încărcare a bateriei: LiPo Fuel Gauge. Componenta de monitorizare se va intercala între ieșirea componentei MPPT și alimentarea plăcii de dezvoltare și va raporta prin intermediul unei magistrale I2C nivelul de încărcare a bateriei.

3

Diagrama de interconectare între componentele sistemului de test este următoarea:

4

Înainte de realizarea montajului și punerea lui în funcțiune este recomandată parcurgerea documentațiilor oficiale ale componentelor utilizate:

Atenție!!! Schema precedentă este schema finală de test. În momentul programării plăcii de dezvoltare trebuie să deconectăm alimentarea plăcii prin intermediul componentei de măsurare (să deconectăm placa de dezvoltare de componenta LiPo Fuel Gauge) și să deconectăm pinul Reset de pinul Wake (GPIO16) – firul galben.

Programul sistemului a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.5, extensia ESP8266 Community 2.4.0 și biblioteca LiFuelGauge 1.0.

#include <Wire.h>

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <ESP8266HTTPClient.h>

#include <LiFuelGauge.h>

În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare la rețeaua WiFi (variabilele ssid[] și pass[]).

char ssid[] = “…”;

char pass[] = “…”;

LiFuelGauge gauge(MAX17043);

Secțiunea setup() se va ocupa cu inițializarea comunicației cu modulul de măsurare a tensiunii din acumulator și cu inițializarea comunicației WiFi.

void setup() {

  gauge.reset();

  WiFi.mode(WIFI_STA);

  WiFi.hostname(“ESP_SolarMeter”);

  WiFi.begin(ssid, pass);

  byte retry = 0;

  while ((WiFi.status() != WL_CONNECTED) && (retry<10)) {

    delay(1000);

    retry++;

    if (retry==10) ESP.restart();

  }

}

Secțiunea loop() conține partea de citire a măsurătorilor efectuate de componenta LiPo Fuel Gauge și de trimiterea acestor măsurători către serviciul IoT. În cadrul programului trebuie personalizate cheile de autentificare (SENZOR_TOKEN1 și SENZOR_TOKEN2) obținute în urma înregistrării gratuite pe iot.robofun.ro. Postarea măsurătorilor se va face la un interval de o oră. Între măsurători sistemul va funcționa în mod de consum redus (deepSleep) pentru a minimiza consumul de energie și maximiza durata de funcționare.

void loop() {

  float batPercentage = gauge.getSOC();

  float batVoltage = gauge.getVoltage(); 

  String SENSOR_TOKEN1=”…”;

  String SENSOR_TOKEN2=”…”;

  HTTPClient http;

  String data =

String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN1 + “/input?value=” + String(batVoltage, DEC);

  http.begin(data);

  int httpCode = http.GET();

  delay(100);

  http.end();

  data = String(“http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/&#8221;) + SENSOR_TOKEN2 + “/input?value=”  + String(batPercentage, DEC);

  http.begin(data);

  httpCode = http.GET();

  delay(100);

  http.end();

  ESP.deepSleep(3600L*1000000L);

}

Testarea sistemului va indica următoarele lucruri esențiale în funcționarea acestuia:

  • Sistemul de încărcare solar este capabil să înmagazineze într-o zi însorită suficientă energie pentru funcționarea sistemului pentru 24 de ore – sistemul poate funcționa autonom într-o perioadă însorită. Mai jos este graficul furnizat de serviciul iot.robofun pentru o succesiune de două zile însorite consecutive. Se poate observa că sistemul recuperează energia consumată peste noapte în timpul zilei.

5

6

  • Peste noapte sistemul pierde circa 30% din capacitatea acumulatorului. Asta înseamnă că sistemul poate funcționa circa trei zile fără reîncărcare (zile fără soare / înorate).

7

  • După epuizarea completă a energiei din acumulator sistemul nu este capabil să repornească singur chiar dacă urmează o zi însorită. Acest lucru este cauzat de curentul mare necesar la inițializarea plăcii de dezvoltare (peste 450mA, peste curentul furnizat de componenta Sunny Buddy). Sistemul nu va reuși să intre în mod de consum redus pentru a lăsa acumulatorul să se reîncarce și va rămâne într-o secvență infinită de inițializare ce va opri procesul de reacumulare a energiei solare.

Testul relevă posibilitatea limitată de funcționare a sistemului propus. Acesta poate funcționa o perioadă nedeterminată de timp în mod autonom atâta timp cât nu apare o succesiune de mai mult de două zile complet înnorate. Curentul mare necesar la inițializarea plăcii de dezvoltare blochează reluarea procesului de reîncărcare solară. Totuși, cu un alt consumator ce necesită un curent mai mic de inițializare, sistemul ar putea funcționa autonom și și-ar putea relua activitatea după o perioadă lungă fără lumină solară.

Proiect Blynk IoT

Sparkfun Blynk ESP8266 este o placă de dezvoltare care, pe lângă avantajele oferite de serviciul cloud Blynk (prezentate în cadrul proiectului Cum să realizăm un sistem IoT fără să scriem nici o linie de cod?), oferă o combinație de componente extrem de interesante.

1

Procesorul WiFi ESP8266, senzorul digital de temperatură și umiditate Si7021 integrat și posibilitatea de alimentare de la un acumulator fac din placa Sparkfun Blynk ESP8266 o excelentă platformă pentru experimente IoT. În cadrul proiectului de față vom programa această placă utilizând Arduino IDE și nu vom utiliza platforma cloud specifică ci noul serviciu Robofun IoT.

2

Pentru punerea în funcțiune și programarea plăcii Blynk se recomandă parcurgerea materialului Blynk Board Arduino Development Guide. Pentru prima parte a proiectului nu avem nevoie decât de placa de dezvoltare și cablul USB de încărcare a programului – senzorul de temperatură și umiditate ce va furniza informațiile transmise către serviciul IoT este integrat pe placă.

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.1, extensia esp8266 2.1.0 și bibliotecile Sparkfun Si7021 Humidity and Temperature Sensor 1.0.0 și Adafruit NeoPixel 1.1.1 (pe placa de dezvoltare se află și un led RGB WS2812 pe care îl vom comanda utilizând această bibliotecă). Declarațiile inițiale ale programului sunt următoarele:

#include <Wire.h>
#include “SparkFun_Si7021_Breakout_Library.h”
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266HTTPClient.h>

În cadrul programului trebuie personalizate datele de conectare WiFi:

char ssid[] = ““;

char pass[] = ““;

WiFiClient client;

float humidity = 0;

float tempC = 0;

Weather sensor;

#define PIN  4

#define NUMPIXELS 1

Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

Varialbila postingInterval indică intervalul de timp între două raportări IoT (în milisecunde, în cazul dat ca exemplu: 10 minute)

unsigned long lastConnectionTime = 0;

const unsigned long postingInterval = 600L * 1000L;

Dacă doriți ca programul să afișeze informații despre execuție se va decomenta următoarea linie:

//#define debug

3

În cadrul secțiunii setup() se va inițializa conexiunea WiFi – pe durata inițializării led-ul RGB de pe placă va lumina roșu.

void setup() {

  pixels.begin();

  pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(150,0,0));

  pixels.show();

  #ifdef debug

    Serial.begin(9600);

  #endif

  int status = WL_IDLE_STATUS;

  while (status != WL_CONNECTED)

  {

    status = WiFi.begin(ssid, pass);

    delay(10000);

  }

  #ifdef debug

    Serial.println(“Connected to wifi”);

  #endif

  sensor.begin();

  pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,0,0));

  pixels.show();

}

Secțiunea loop() va verifica timpul scurs de la ultima raportare și dacă este depășit intervalul specificat se va apela procedura IoTPublish() care se ocupă de citirea senzorului Si7021 și de trimiterea datelor către Robofun IoT. Pe durata execuției procedurii led-ul de pe placă va lumina verde.

void loop() {

  if (millis() – lastConnectionTime > postingInterval)

  {

    pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,150,0));

    pixels.show();

    IoTpublish();

    pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,0,0));

    pixels.show();

  }

}

Procedura IoTpublish() va posta datele oferite de senzorul de temperatură și umiditate către serviciul IoT. Postarea se face prin două apeluri HTTP GET, câte unul pentru fiecare parametru trimis (temperatură și umiditate). Apelurile HTTP vor returna răspunsul 1 dacă totul este în regulă sau alte valoare dacă a apărut o eroare. Pentru utilizarea serviciului Robofun IoT este necesară înregistrarea gratuită a unui cont.

4

După înregistrare și conectare este necesară definirea a doi noi senzori.

5

Fiecare senzor va avea propria cheie de autentificare (token) și pentru fiecare dintre cei doi senzori este necesar să copiem această cheie în program (SENZOR_TOKEN1 și SENZOR_TOKEN2).

void IoTpublish() {

  String SENSOR_TOKEN1=”“;

  String SENSOR_TOKEN2=”“;

  HTTPClient http;

  humidity = sensor.getRH();

  tempC = sensor.getTemp();

  String data =

    “http” + “://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/” + SENSOR_TOKEN1 + “/input?value=” + String(tempC, DEC);

  http.begin(data);

  int httpCode = http.GET();

  #ifdef debug

    if(httpCode > 0) {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

      if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

        String payload = http.getString();

        Serial.println(payload);

      }

    } else {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”, http.errorToString(httpCode).c_str());

    }

  #endif

  http.end();

  data = “http” + “://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/” + SENSOR_TOKEN2 + “/input?value=” + String(humidity, DEC);

  http.begin(data);

  httpCode = http.GET();

  #ifdef debug

    if(httpCode > 0) {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

      if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

        String payload = http.getString();

        Serial.println(payload);

      }

    } else {

      Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”, http.errorToString(httpCode).c_str());

    }

  #endif

  http.end();

  lastConnectionTime = millis();

}

După încărcarea programului pe placa de dezvoltare și scurgerea unui interval de funcționare mai lung decât postingInterval vom putea vedea deja pe graficul oferit de interfața serviciului valorile achiziționate de senzorul plăcii. În capturile de ecran următoare putem vedea un grafic pe o perioadă mai lungă de timp (temperatura – vizualizare a tuturor valorilor, umiditate – vizualizare a valorilor medii la nivel de săptămână).

6

7

Un atu foarte important al plăcii de dezvoltare Sparkfun Blynk ESP8266 este posibilitatea de alimentare utilizând un acumulator LiPo de 3.7V. Asta conferă sistemului portabilitate – vom dispune de un sistem de achiziție IoT de dimensiunea a două cutii de chibrituri. Totuși, o problemă majoră care se naște în acest caz este evaluarea autonomiei de funcționare a sistemului – determinarea nivelului de încărcare a acumulatorului. Utilizarea convertorului analog-numeric al plăcii în acest scop presupune construirea unui divizor de tensiune (convertorul poate măsura tensiuni între 0V și 3.3V) dar această soluție conduce la descărcarea mai rapidă a acumulatorului. O soluție mult mai elegantă pentru rezolvarea acestei probleme este utilizarea unei componente specializate de măsurare: LiPo Fuel Gauge. Conectarea acestei componente, între conectorul de alimentare al plăcii și acumulator, este prezentată în diagrama următoare:

8

Circuitul integrat MAX17043G+U al componentei de măsurare va supraveghea nivelul de tensiune al acumulatorului și îl va raporta către placa de dezvoltarea prin intermediul magistralei I2C – placa de dezvoltare are un conector special I2C la care se poate conecta componenta de măsurarea. Introducerea componentei de măsurare nu va influența în nici un fel posibilitatea de încărcarea a acumulatorului prin intermediul mufei microUSB de pe placă și nici nu va scădea durata de viață a acumulatorului.

În cadrul programului vom adăuga următoarele funcții și proceduri necesare lucrului cu circuitul MAX17043:

unsigned int vcellMAX17043() {

unsigned int vcell;

vcell = i2cRead16(0x02);

vcell = vcell >> 4;

return vcell; }

float percentMAX17043() {

unsigned int soc;

float percent;

soc = i2cRead16(0x04);

percent = (byte) (soc >> 8);

percent += ((float)((byte)soc))/256;

return percent; }

void qsMAX17043() {

i2cWrite16(0x4000, 0x06); }

unsigned int i2cRead16(unsigned char address) {

int data = 0;

Wire.beginTransmission(MAX17043_ADDRESS);

Wire.write(address);

Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(MAX17043_ADDRESS, 2);

while (Wire.available() < 2) ;

data = ((int) Wire.read()) << 8;

data |= Wire.read();

return data; }

void i2cWrite16(unsigned int data, unsigned char address) {

Wire.beginTransmission(MAX17043_ADDRESS);

Wire.write(address);

Wire.write((byte)((data >> 8) & 0x00FF));

Wire.write((byte)(data & 0x00FF));

Wire.endTransmission(); }

La începutul programului vom defini adresa I2C a circuitului MAX17043:

#define MAX17043_ADDRESS 0x36

Iar în cadrul procedurii IoTpublish() vom adăuga:

float batVoltage;

float batPercentage;

String SENSOR_TOKEN3=”…”;

String SENSOR_TOKEN4=”…”;

….

qsMAX17043();

batPercentage = percentMAX17043();

batVoltage = (float) vcellMAX17043() * 1/800;

data = “http” + “://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/” + SENSOR_TOKEN3 + “/input?value=” + String(batVoltage, DEC);

http.begin(data);

httpCode = http.GET();

#ifdef debug

if(httpCode > 0) {

Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

String payload = http.getString();

Serial.println(payload);

}

} else {

Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”, http.errorToString(httpCode).c_str());

}

#endif

http.end();

data = “http” + “://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/” + SENSOR_TOKEN4 + “/input?value=” + String(batPercentage, DEC);

http.begin(data);

httpCode = http.GET();

#ifdef debug

if(httpCode > 0) {

Serial.printf(“[HTTP] GET… code: %d\n”, httpCode);

if(httpCode == HTTP_CODE_OK) {

String payload = http.getString();

Serial.println(payload); }

} else {

Serial.printf(“[HTTP] GET… failed, error: %s\n”, http.errorToString(httpCode).c_str());   }

#endif

http.end();

Înainte de încărcarea noii versiuni de program este necesar să definim doi noi senzori (unul pentru tensiunea acumulatorului altul pentru procentul de încărcare) și să copiem cheile de autentificare în variabilele asociate: SENZOR_TOKEN3 și SENZOR_TOKEN4. După rularea programului vom putea vedea evoluția parametrilor acumulatorului folosit:

9

10