Per mantenere attivo un nodo di telemetria ESP32 24/7 durante un inverno sudafricano inviando letture ogni 15 minuti, sono sufficienti una singola cella agli ioni di litio 18650 da 2.200–2.600 mAh e un pannello solare monocristallino da 2W a 5W (5V o 6V). L'intero sottosistema di alimentazione costa meno di R250 per nodo. Tuttavia, questo calcolo funziona solo se si risolve la principale dispersione energetica nei progetti IoT didattici e scolastici: la corrente di riposo (quiescent current) a livello di scheda.

La trappola della corrente di riposo

Un chip ESP32 in deep sleep assorbe circa 10-15 microampere (µA). Eppure, docenti e studenti utilizzano spesso schede di sviluppo standard (come la NodeMCU ESP32 o la ESP32 DevKit V1) e scoprono che una batteria da 2.500 mAh si scarica completamente in tre giorni senza luce solare. Perché?

Le schede di prototipazione standard montano due componenti ad alto consumo che non vanno mai in sleep:

• Il convertitore USB-UART (come il CP2102 o il CH340), che continua ad assorbire da 0,5 mA a 15 mA anche quando non è collegato alcun cavo USB.
• Il regolatore Low Dropout (LDO) (spesso un AMS1117-3.3), che presenta una corrente di riposo di circa 5 mA - 10 mA solo per mantenere attiva la linea di uscita.

Una scheda che assorbe 10 mA durante lo "sleep" consuma 240 mAh ogni singolo giorno rimanendo semplicemente inattiva. Al contrario, una scheda ESP32 che utilizza un regolatore a bassa corrente di riposo (come un HT7333 o un ME6211, con un assorbimento di ≤50 µA) combinata con un convertitore USB non alimentato riduce il consumo giornaliero in sleep a meno di 2 mAh.

I calcoli energetici: cicli di risveglio di 15 minuti

Calcoliamo il fabbisogno energetico giornaliero di un tipico sensore di umidità del suolo e temperatura ambientale che invia dati di telemetria a un broker MQTT tramite Wi-Fi a 2,4 GHz.

1. Stato attivo (risveglio e trasmissione)

• Assorbimento di corrente: in media ~180 mA durante la connessione Wi-Fi e la trasmissione.
• Durata: 4 secondi (avvio, lettura sensori ADC/I2C, connessione al Wi-Fi, pubblicazione del payload, passaggio in deep sleep).
• Frequenza: ogni 15 minuti = 4 volte all'ora = 96 trasmissioni al giorno.
• Energia per trasmissione: 180 mA × (4 s / 3.600 s) = 0,20 mAh.
• Consumo attivo giornaliero: 96 × 0,20 mAh = 19,2 mAh/giorno.

2. Stato di deep sleep

• Assorbimento di corrente (hardware ottimizzato): 0,05 mA (50 µA).
• Durata: 24 ore meno ~6,4 minuti di tempo attivo ≈ 23,9 ore.
• Consumo giornaliero in sleep: 23,9 h × 0,05 mA = 1,2 mAh/giorno.

Consumo giornaliero totale: 19,2 mAh + 1,2 mAh ≈ 20,4 mAh al giorno a 3,3V (circa 0,07 Wh al giorno). Anche su una scheda non ottimizzata con un'inattività a 3 mA, il fabbisogno giornaliero sale a circa 90 mAh al giorno.

Dimensionare la batteria 18650 per l'autonomia

Nelle condizioni invernali sudafricane — in particolare durante i fronti freddi del Western Cape o le prolungate giornate nuvolose in altre zone — è necessario progettare per 5 giorni consecutivi di totale assenza di luce solare sfruttabile.

Una singola cella 18650 standard da 2.200 mAh - 2.600 mAh offre un margine enorme per un sensore ottimizzato. Anche limitando la scarica a un intervallo ottimale di profondità di scarica (DoD, Depth of Discharge) compreso tra il 20% e l'80% per garantire una vita utile della cella di cinque anni, 1.300 mAh di capacità utilizzabile garantiscono oltre 40 giorni di funzionamento autonomo senza sole su un hardware ben progettato.

Dimensionare il pannello solare per le ore di picco solare invernali

Le ore di sole di picco (PSH, Peak Sun Hours) invernali in Sudafrica calano notevolmente a seconda della geografia. Gli inverni a Città del Capo registrano una media di circa 2,5 - 3,0 PSH a causa della pioggia e della fitta copertura nuvolosa, mentre l'Highveld mantiene 4,0 - 4,5 PSH nonostante le basse temperature.

Effettuiamo il dimensionamento per lo scenario peggiore (2,5 PSH):

• Fabbisogno energetico giornaliero: 21 mAh × 3,7V nominali = ~0,08 Wh.
• Perdite di sistema: calcolare un'efficienza combinata del 60% (tenendo conto della polvere sul pannello, della caduta di tensione del regolatore di carica solare TP4056/CN3065 e dell'efficienza chimica di ricarica della batteria).
• Generazione giornaliera richiesta: 0,08 Wh / 0,60 = 0,133 Wh/giorno.
• Potenza minima del pannello: 0,133 Wh / 2,5 PSH = 0,053 W (53 mW).

Dal punto di vista matematico, un minuscolo pannello da 0,5W potrebbe alimentare questo nodo sotto la luce solare ideale da laboratorio. Nella realtà, è opportuno impiegare un pannello da 2W a 5W, a 5V o 6V. Perché un margine di sicurezza di 40×? Nelle giornate invernali molto nuvolose, l'irraggiamento solare scende al 5%–10% rispetto a una giornata di pieno sole. Un pannello da 5W sotto una densa coltre di nuvole grigie produce comunque da 100 mW a 250 mW: più che sufficienti per coprire i consumi operativi e mantenere la batteria al di sopra della soglia di arresto (cut-off).

Checklist per l'installazione sul campo

• Inclinazione del pannello: orientare il pannello verso il Nord geografico con un'inclinazione pari alla latitudine locale più 10° - 15° (circa 45° nel Western Cape, 38° nel Gauteng). Questa inclinazione pronunciata intercetta direttamente il sole basso invernale e favorisce il naturale deflusso di pioggia e polvere.
• Regolatore di carica: utilizzare un caricatore solare al litio dedicato basato sul circuito integrato CN3065 anziché un semplice TP4056. Il CN3065 gestisce le fluttuazioni della tensione di ingresso senza incorrere in cali di tensione (brownout) o blocchi (latch-up) quando la luce solare cala.
• Isolamento dell'alimentazione dei sensori: assicurarsi che i sensori periferici (come le sonde capacitive di umidità del suolo) siano alimentati da un pin GPIO dell'ESP32 anziché dal rail a 3,3V. Impostare il pin su HIGH solo durante la finestra di misurazione di 4 secondi per eliminare l'assorbimento resistivo continuo.

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