Para mantener un nodo de telemetría ESP32 funcionando las 24 horas del día durante el invierno sudafricano con envíos cada 15 minutos, basta con una única celda de iones de litio 18650 de 2200–2600 mAh y un panel solar monocristalino de 2 W a 5 W (5 V o 6 V). El subsistema de alimentación al completo cuesta menos de R250 por nodo. Sin embargo, estos cálculos solo se sostienen si se resuelve la mayor fuga de energía en los proyectos escolares de IoT: la corriente de reposo de la propia placa de desarrollo.

La trampa de la corriente de reposo

Un chip ESP32 en modo de suspensión profunda (deep sleep) consume entre 10 y 15 microamperios (µA). Aun así, docentes y estudiantes suelen recurrir a placas de desarrollo estándar (como la NodeMCU ESP32 o la ESP32 DevKit V1) y se encuentran con que una batería de 2500 mAh se agota en apenas tres días sin luz solar. ¿A qué se debe?

Las placas de prototipado estándar incorporan dos componentes de alto consumo que nunca entran en reposo:

• El puente USB a UART (como el CP2102 o el CH340), que sigue consumiendo entre 0,5 mA y 15 mA incluso cuando no hay ningún cable USB conectado.
• El regulador de baja caída (LDO) (a menudo un AMS1117-3.3), que presenta una corriente de reposo de entre 5 mA y 10 mA únicamente para mantener activa su línea de salida.

Una placa que consuma 10 mA en reposo gastará 240 mAh cada día simplemente estando inactiva. En cambio, una placa ESP32 equipada con un regulador de bajo consumo en reposo (como un HT7333 o un ME6211, con un consumo ≤50 µA) combinada con un puente USB que no permanezca alimentado reduce el consumo diario en reposo a menos de 2 mAh.

El cálculo energético: ciclos de activación cada 15 minutos

Calculemos la demanda energética diaria de un sensor habitual de humedad del suelo y temperatura ambiente que envía datos de telemetría a un intermediario MQTT a través de Wi-Fi de 2,4 GHz.

1. Estado activo (activación y transmisión)

• Consumo de corriente: ~180 mA de media durante la conexión Wi-Fi y la transmisión.
• Duración: 4 segundos (arranque, lectura de sensores ADC/I2C, conexión a Wi-Fi, publicación del paquete y entrada en suspensión profunda).
• Frecuencia: Cada 15 minutos = 4 veces por hora = 96 transmisiones al día.
• Energía por ráfaga: 180 mA × (4 s / 3600 s) = 0,20 mAh.
• Consumo activo diario: 96 × 0,20 mAh = 19,2 mAh/día.

2. Estado de suspensión profunda

• Consumo de corriente (hardware optimizado): 0,05 mA (50 µA).
• Duración: 24 horas menos ~6,4 minutos de tiempo activo ≈ 23,9 horas.
• Consumo diario en reposo: 23,9 h × 0,05 mA = 1,2 mAh/día.

Consumo diario total: 19,2 mAh + 1,2 mAh ≈ 20,4 mAh al día a 3,3 V (aproximadamente 0,07 Wh al día). Incluso con una placa sin optimizar que consuma 3 mA en reposo, la demanda diaria rondará los 90 mAh al día.

Dimensionamiento de la batería 18650 para garantizar la autonomía

Bajo las condiciones invernales de Sudáfrica —especialmente ante los frentes fríos del Cabo Occidental o los períodos prolongados de cielo cubierto en otras regiones—, es imprescindible diseñar el sistema para soportar 5 días consecutivos sin radiación solar aprovechable.

Una sola celda 18650 estándar de entre 2200 mAh y 2600 mAh proporciona un margen amplísimo para un sensor optimizado. Aunque restrinjamos la descarga a una franja saludable del 20 % al 80 % de profundidad de descarga (DoD) para asegurar cinco años de vida útil de la celda, los 1300 mAh de capacidad utilizable garantizan más de 40 días de funcionamiento autónomo sin sol con un hardware bien diseñado.

Dimensionamiento del panel solar según las horas de sol pico en invierno

Las horas de sol pico (HSP o PSH) en el invierno sudafricano caen de forma notable según la geografía. Los inviernos en Ciudad del Cabo promedian en torno a 2,5 o 3,0 HSP debido a la lluvia y a la densa nubosidad, mientras que en el Highveld se mantienen entre 4,0 y 4,5 HSP a pesar de las bajas temperaturas.

Dimensionamos para el caso más desfavorable (2,5 HSP):

• Necesidad energética diaria: 21 mAh × 3,7 V nominal = ~0,08 Wh.
• Pérdidas del sistema: Calculamos una eficiencia combinada del 60 % (teniendo en cuenta el polvo acumulado en el panel, la caída del controlador de carga solar TP4056/CN3065 y el rendimiento electroquímico de carga de la batería).
• Generación diaria requerida: 0,08 Wh / 0,60 = 0,133 Wh/día.
• Potencia mínima del panel: 0,133 Wh / 2,5 HSP = 0,053 W (53 mW).

En el plano teórico, un minúsculo panel de 0,5 W podría alimentar este nodo bajo una radiación solar perfecta de laboratorio. En la práctica, conviene instalar un panel de 2 W a 5 W (5 V o 6 V). ¿Por qué este margen de seguridad de 40×? En días invernales densamente nublados, la irradiancia solar cae a un 5 %-10 % de la de un día despejado. Un panel de 5 W bajo un cielo muy encapotado aún produce entre 100 mW y 250 mW, margen más que suficiente para cubrir el consumo operativo y mantener la batería por encima de su umbral de corte.

Lista de comprobación para la instalación sobre el terreno

• Inclinación del panel: Oriente el panel hacia el norte geográfico con una inclinación equivalente a la latitud local más 10° o 15° (aproximadamente 45° en el Cabo Occidental y 38° en Gauteng). Este ángulo pronunciado capta directamente el sol bajo de invierno y evacua de forma natural el agua de lluvia y el polvo.
• Controlador de carga: Utilice un cargador solar de litio dedicado basado en el circuito integrado CN3065 en lugar de un módulo TP4056 básico. El CN3065 gestiona las fluctuaciones de tensión de entrada sin sufrir caídas de tensión ni bloqueos cuando desciende la radiación solar.
• Aislamiento de la alimentación de los sensores: Asegúrese de que los sensores periféricos (como las sondas capacitivas de humedad del suelo) se alimenten desde un pin GPIO del ESP32 en lugar del carril continuo de 3,3 V. Active el pin a nivel ALTO (HIGH) únicamente durante la ventana de medición de 4 segundos para evitar consumos resistivos constantes.

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