ESP32 на солнечной батарее: автономный узел для дачи

Автономный узел на ESP32 с солнечной панелью строят так: узел почти всё время спит, раз в несколько минут просыпается, отправляет показания и снова засыпает. По даташиту Espressif в глубоком сне чип берёт 5–10 мкА, а в передаче Wi-Fi — до 240 мА, поэтому суточный расход узла получается порядка десятков мА·ч, и достаточно небольшой панели.

Аккумулятор Li-ion заряжают только через контроллер заряда, например TP4056: по даташиту он заряжает до 4,2 В с точностью 1,5 %.

Ниже — потребление по даташиту, расчёт бюджета энергии и панели, схема питания, сборка, наладка и ошибки, из-за которых узел умирает за неделю.

Откуда берётся энергия и куда она уходит

Данные из даташита Espressif на ESP32, питание 3,3 В:

Режим	Потребление
Передача Wi-Fi 802.11b, +19,5 дБм	240 мА
Приём Wi-Fi	95–100 мА
Глубокий сон, работает таймер RTC и память RTC	10 мкА
Глубокий сон, работает только таймер RTC	5 мкА
Питание модуля VDD3P3	2,3–3,6 В

Цифры относятся к самому чипу. Готовая плата DevKit добавляет мост USB–UART, светодиод и стабилизатор, и в сне такая плата берёт заметно больше, чем чип: порой единицы миллиампер, то есть в сотни раз больше.

Для автономного узла это решающая деталь. Реальное потребление платы измеряйте мультиметром или мА-метром в разрыве питания, а не берите из даташита чипа.

Бюджет энергии

Считаем в миллиампер-часах за сутки. Пусть узел просыпается раз в 10 минут и бодрствует 5 секунд.

1. 1
   Пробуждения.24 × 6 = 144 в сутки; 144 × 5 с = 720 с, то есть 0,2 часа.
2. 2
   Активная фаза.При среднем токе 100 мА (с учётом пиков передачи) получается 0,2 ч × 100 мА = 20 мА·ч.
3. 3
   Сон.24 − 0,2 = 23,8 часа; при токе платы 0,1 мА это 23,8 × 0,1 ≈ 2,4 мА·ч.
4. 4
   Итого.20 + 2,4 ≈ 22 мА·ч в сутки.

Это условный пример: подставьте свои измеренные токи.

Запас по аккумулятору и панели

Аккумулятор 18650 ёмкостью 2000 мА·ч при расходе 22 мА·ч в сутки даёт 2000 / 22 ≈ 90 суток в идеале. С запасом на потери и неполный разряд, скажем, 70 % ёмкости, получается около 64 суток без солнца.

Панель нужна, чтобы возмещать расход и саморазряд. Пример для сравнения: 22 мА·ч при 3,7 В — это 0,022 А·ч × 3,7 В ≈ 0,08 Вт·ч в сутки.

Если принять панель 1 Вт, 1 час эквивалентного полного солнца за серый день и общий КПД цепочки 50 %, то получится 1 Вт × 1 ч × 0,5 = 0,5 Вт·ч в сутки. Это в несколько раз больше расхода. Все три допущения условные: зимой солнечных часов меньше, закладывайте запас.

Расчёт панели и ёмкости делает калькулятор солнечной панели и аккумулятора, а переводы единиц — калькулятор мА·ч в А·ч. Про бытовую панель для дачи читайте в статье «Солнечная панель для дачи».

Контроллер заряда и аккумулятор

Модуль TP4056 — популярный вариант для одного элемента Li-ion. Данные из его даташита.

• 
  Напряжение заряда.Фиксированное 4,2 В с точностью 1,5 %.
• 
  Ток заряда.Программируется резистором, до 1000 мА; по даташиту I(BAT) = V(PROG) / R(PROG) × 1200.
• 
  Окончание заряда.Заряд завершается, когда ток падает до 1/10 запрограммированного.
• 
  Температура.Если вывод TEMP подключён к NTC-термистору в аккумуляторе, заряд приостанавливается при слишком высокой или низкой температуре. На распространённых модулях TP4056 этот вывод соединён с землёй (контроль выключен): чтобы подключить NTC, перемычку нужно разорвать. Проверьте по схеме своего модуля.
• 
  Входное напряжение.Абсолютный максимум на входе VCC — 8 В: панель 5–6 В укладывается, но проверьте напряжение холостого хода.

Для аккумулятора возьмите паспорт на ячейку. Например, в паспорте Samsung INR18650-25R указан заряд CC-CV до 4,2 ± 0,05 В, конечное напряжение разряда 2,5 В и стандартный ток заряда 1,25 А (0,5C).

Модуль TP4056 без платы защиты не защищает аккумулятор от глубокого разряда: используйте ячейку с защитой или отдельную плату защиты.

Схема и сборка

Порядок сборки такой, чтобы ошибки находились на столе, а не на крыше.

1. 1
   Измерьте ток в сне.Соберите узел на столе. Если он больше нескольких сотен микроампер, ищите виновника: светодиод питания, мост USB, подтяжки.
2. 2
   Проверьте заряд.Подключите панель к модулю заряда, а аккумулятор к его выходу. При свете ток заряда идёт, при затемнении утечки в панель нет.
3. 3
   Подключите питание ESP32.Через стабилизатор на 3,3 В с малым током покоя.
4. 4
   Прошейте скетч.Измерение, отправка, затем esp_deep_sleep_start().
5. 5
   Уберите в корпус.Панель выведите наружу под углом к югу.

Скетч в общих чертах: подключиться к Wi-Fi, один раз отправить показания, вызвать esp_sleep_enable_timer_wakeup() на нужное число микросекунд и уйти в глубокий сон. Не оставляйте в цикле delay(): после пробуждения программа стартует заново с setup().

Наладка

Неделя наблюдений покажет больше, чем расчёт.

• 
  Напряжение аккумулятора.Мерьте утром и вечером несколько дней. Если оно ползёт вниз, панели не хватает или узел спит хуже, чем рассчитано.
• 
  Подключение к сети.Если ESP32 не находит сеть после сна, увеличьте время ожидания подключения, но не делайте его бесконечным: при слабом сигнале узел будет бодрствовать и разряжать аккумулятор.
• 
  Зима.Li-ion при отрицательных температурах заряжать нельзя. Нужен датчик температуры у аккумулятора (например NTC для TP4056) или осознанное решение, что узел сезонный.
• 
  Заряд в мороз.Диапазон температуры заряда смотрите в паспорте ячейки; для INR18650-25R по сведениям lygte-info.dk заряд разрешён от 0 до 50 °C.

Если за неделю напряжение не просело, расчёт сошёлся.

Типовые ошибки

Что в итоге

Подходит: датчик в теплице, погреб, участок без розетки, где данные нужны раз в несколько минут. Не подходит: узел с постоянным Wi-Fi, камерой или реле, которое надо держать включённым.

Для таких задач нужны панель побольше и аккумулятор в разы ёмче или питание от сети.

Частые вопросы

Хватит ли панели в 1 Вт для ESP32?

Для узла с расходом около 22 мА·ч в сутки хватит с запасом: по расчёту выше при условных допущениях получается около 0,5 Вт·ч в сутки против 0,08 Вт·ч расхода.

Зимой солнечных часов меньше, особенно в средней полосе, поэтому закладывайте запас.

Можно ли заряжать Li-ion зимой на улице?

Нельзя при отрицательных температурах. Для INR18650-25R заряд разрешён от 0 до 50 °C (по сведениям lygte-info.dk); у вашей ячейки смотрите паспорт.

Поставьте термистор NTC на аккумулятор и подключите к выводу TEMP модуля TP4056 либо сделайте узел сезонным. На многих модулях TEMP соединён с землёй, и перемычку нужно разорвать: проверьте по схеме своего модуля.

Чем питать ESP32 от Li-ion: напрямую или через стабилизатор?

Через стабилизатор на 3,3 В с малым током покоя. Питание ESP32 по даташиту — 2,3–3,6 В, а Li-ion заряжается до 4,2 В.

Не подключайте напрямую 4,2 В к выводу питания чипа.

Какой аккумулятор взять в России?

Подойдёт Li-ion 18650 с защитой (PCM) от известного производителя: они продаются в магазинах радиодеталей и электроники.

Смотрите паспорт ячейки: напряжение заряда 4,2 В, конечное напряжение разряда и стандартный ток заряда.

Как сделать, чтобы узел не разрядил аккумулятор в пасмурные дни?

Увеличьте интервал измерений или ёмкость аккумулятора, уберите лишние потребители и измеряйте напряжение на аккумуляторе.

Если оно падает дни подряд, узел потребляет больше расчёта: ищите светодиод питания и мост USB на плате.

Калькуляторы для автономного питания

• Солнечная панель и аккумуляторМощность панели, ёмкость аккумулятора и ток контроллера по суточному потреблению
• Перевод mAh ↔ AhЁмкость аккумулятора и время работы от неё
• Время зарядки и работы от аккумулятораСколько заряжать и сколько проработает от заряда