Groottebepaling van sonkrag en battery vir 'n ESP32-plaassensor in die winter
Om 'n ESP32-telemetrienodus regdeur die winter 24/7 aan die gang te hou, benodig jy 'n enkele 2,200–2,600 mAh 18650-sel en 'n 2W- tot 5W- (5V/6V) sonpaneel — mits jou diepslaap-kragroete korrek gebou is.
Om 'n ESP32-telemetrienodus regdeur 'n Suid-Afrikaanse winter 24/7 aan die gang te hou met lesings wat elke 15 minute gestuur word, het jy 'n enkele 2,200–2,600 mAh 18650-litiumioonsel en 'n 2W- tot 5W- (5V of 6V) monokristallyne sonpaneel nodig. Die hele kragsubstelsel kos minder as R250 per nodus. Hierdie somme werk egter slegs as jy die enkele grootste kraglek in studente- en klaskamer-IoT-projekte regstel: russtroom (quiescent current) op die stroombaanbord.
Die russtroomstrik
'n ESP32-skyfie in diepslaap trek ongeveer 10 tot 15 mikroampère (µA). Tog ontplooi onderwysers en leerders gereeld standaard-ontwikkelingsborde (soos die NodeMCU ESP32 of ESP32 DevKit V1) en vind dat 'n 2,500 mAh-battery binne drie dae sonder sonlig pap is. Waarom?
Standaard-prototiperingsborde bevat twee kraghonger komponente wat nooit slaap nie:
- Die USB-na-UART-brug (soos die CP2102 of CH340), wat aanhou om 0.5 mA tot 15 mA te trek selfs wanneer geen USB-kabel gekoppel is nie.
- Die lae-valspanning-reguleerder (LDO) (dikwels 'n AMS1117-3.3), wat 'n russtroom van sowat 5 mA tot 10 mA het net om sy uitsetlyn aktief te hou.
'n Bord wat 10 mA trek tydens "slaap", verbruik daagliks 240 mAh bloot deur ledig te wees. Daarteenoor verlaag 'n ESP32-bord wat 'n lae-russtroomreguleerder gebruik (soos 'n HT7333 of ME6211, wat ≤50 µA trek) gekombineer met 'n ontkoppelde USB-brug, jou daaglikse slaapverbruik na minder as 2 mAh.
Die kragrekenkunde: 15-minute-ontwaaksiklusse
Kom ons bereken die daaglikse energiebehoefte van 'n tipiese grondvog- en omgewingstemperatuursensor wat telemetrie oor 2.4 GHz-Wi-Fi na 'n MQTT-makelaar stuur.
1. Aktiewe toestand (Ontwaak & versending)
- Stroomverbruik: gemiddeld ~180 mA tydens Wi-Fi-verbinding en versending.
- Duur: 4 sekondes (laai stelsel, lees ADC/I2C-sensors, koppel aan Wi-Fi, publiseer data, gaan in diepslaap).
- Frekwensie: Elke 15 minute = 4 keer per uur = 96 versendings per dag.
- Energie per sarsie: 180 mA × (4 s / 3,600 s) = 0.20 mAh.
- Daaglikse aktiewe verbruik: 96 × 0.20 mAh = 19.2 mAh/dag.
2. Diepslaaptoestand
- Stroomverbruik (geoptimaliseerde hardeware): 0.05 mA (50 µA).
- Duur: 24 uur minus ~6.4 minute aktiewe tyd ≈ 23.9 uur.
- Daaglikse slaapverbruik: 23.9 h × 0.05 mA = 1.2 mAh/dag.
Totale daaglikse verbruik: 19.2 mAh + 1.2 mAh ≈ 20.4 mAh per dag teen 3.3V (ongeveer 0.07 Wh per dag). Selfs op 'n ongeoptimaliseerde bord wat teen 3 mA luier, styg die daaglikse vraag na ongeveer 90 mAh per dag.
Groottebepaling van die 18650-battery vir outonomie
In Suid-Afrikaanse wintertoestande — veral die Wes-Kaap se koue fronte of langdurige bewolkte weer elders — moet jy ontwerp vir 5 opeenvolgende dae van geen bruikbare sonlig.
| Bordkonfigurasie | Daaglikse lading | 5-dae-outonomiebehoefte | Aanbevole batterykapasiteit |
|---|---|---|---|
| Geoptimaliseerde nodus (≤50 µA slaap) | ~21 mAh | 105 mAh | 1× 18650 (2,200–2,600 mAh) |
| Standaard-DevKit (~3 mA slaap) | ~92 mAh | 460 mAh | 1× 18650 (2,600 mAh) |
| Ongewysigde DevKit (~12 mA slaap) | ~308 mAh | 1,540 mAh | 2× 18650 in parallel |
'n Enkele, standaard- 2,200 mAh tot 2,600 mAh 18650-sel bied massiewe speling vir 'n geoptimaliseerde sensor. Selfs as ons ontlading beperk tot 'n gesonde 20%–80% ontladingsdiepte-strook (DoD) om 'n sellewensduur van vyf jaar te verseker, waarborg 1,300 mAh se bruikbare kapasiteit meer as 40 dae se outonome werking sonder son op skoon hardeware.
Groottebepaling van die sonpaneel vir winterson-ure
Winterpiekson-ure (PSH) in Suid-Afrika daal aansienlik na gelang van ligging. Kaapstad se winters het gemiddeld sowat 2.5 tot 3.0 PSH weens reën en swaar wolkebedekking, terwyl die Hoëveld 4.0 tot 4.5 PSH handhaaf ten spyte van koue temperature.
Ons bereken vir die swakste geval (2.5 PSH):
- Daaglikse energiebehoefte: 21 mAh × 3.7V nominaal = ~0.08 Wh.
- Stelselverliese: Reken 'n gekombineerde doeltreffendheid van 60% in (wat voorsiening maak vir stof op die paneel, spanningsval oor die TP4056/CN3065-sonlaaibeheerder, en chemiese batterylaaidoeltreffendheid).
- Vereiste daaglikse opwekking: 0.08 Wh / 0.60 = 0.133 Wh/dag.
- Minimum paneelwattage: 0.133 Wh / 2.5 PSH = 0.053 W (53 mW).
Wiskundig sou 'n piepklein 0.5W-paneel hierdie nodus onder ideale laboratoriumson kon aandryf. In die praktyk behoort jy 'n 2W- tot 5W-, 5V- of 6V-paneel te ontplooi. Waarom die 40×-veiligheidsmarge? Op swaar bewolkte winterdae daal soninstraling tot 5%–10% van volle daglig. 'n 5W-paneel onder dik grys wolke lewer steeds 100 mW tot 250 mW — ruim genoeg om bedryfslas te dek en die battery bo sy afsnylimiet te hou.
Ontplooiingskontrolelys vir die veld
- Paneelkanteling: Stel jou paneel na ware noord met 'n helling gelyk aan jou plaaslike breedtegraad plus 10° tot 15° (ongeveer 45° in die Wes-Kaap, 38° in Gauteng). Hierdie steil hoek vang die lae winterson regstreeks op en laat winterreën en stof natuurlik afloop.
- Laaibeheerder: Gebruik 'n toegewyde sonkrag-litiumlaaier gebaseer op die CN3065-geïntegreerde stroombaan (IC) eerder as 'n kaal TP4056. Die CN3065 hanteer insetspanningskommelinge sonder spanningsval-onderbrekings (brownouts) of grendeling (latching) wanneer sonlig afneem.
- Sensorkrag-isolasie: Maak seker dat randapparatuursensors (soos kapasitiewe grondvogsondes) vanaf 'n ESP32 GPIO-pen aangedryf word in plaas van die 3.3V-lyn. Stel die pen slegs tydens die 4-sekonde-meetvenster na HOOG (HIGH) om deurlopende weerstandsverbruik uit te skakel.
Vir klaskamerstelle en landboutelemetrie-argitekture wat vooraf vir hierdie kragbegrotings opgestel is, verken ons verwysingsontwerpe by Sheen Farming Solutions of kyk na ons oop telemetriemodules by Sheen IoT.
