In der Loseblattsammlung des Weka-Verlags habe ich mich mit batteriebetriebenen IoT-Knoten auseinandergesetzt. Laufzeittests sollen für eine Reihe von nicht modifizierten Boards zeigen, welche Eigenschaften für einen Batteriebetrieb zu erwarten sind. Zum Zeitpunkt der Manuskriptabgabe waren nicht alle Laufzeittests abgeschlossen, weshalb die Testergebnisse hier nachgeführt werden.
Hier können Sie den Text als Flipbook lesen: https://designrr.page/?id=111901&token=1461813991&
Folgende IoT-Knoten wurden in die Untersuchungen einbezogen:
- LILYGO® TTGO T5 V2.3 2.13 Inch E-Paper Screen
- M5Stack ESP32 Core Ink Development Kit
- M5Paper ESP32 Development Kit
- ePulse – Low Power ESP32 Development Board
- Arduino MKR WAN 1300
- Heltec CubeCell ½ AA Node
- WASN LoRaWAN-Indoor-Sensor (Basis Heltec CubeCell)
- PaperiNode
Die Ergebnisse der Laufzeittests werde ich in der folgenden Form darstellen:
| T5 mit LiPo 1000 mAh | LED | |||
| alle 30 min | mit WiFi | h | dV [V] | dV/h |
| 28.12.2020 11:12 | 3.64 | |||
| 16.01.2021 06:02 | 2.33 | 450.8 | 1.31 | 0.003 |
Beim LILYGO® TTGO T5 V2.3 2.13 Inch E-Paper Screen (T5-Modul) stehen 4 MB serielles Flash und ein Micro-SD-Steckplatz zur Speichererweiterung zur Verfügung. Über einen JST-Stecker kann ein LiPo-Akku angeschlossen werden. Ein Micro-USB-Anschluss dient der Spannungsversorgung, dem Programm-Upload und der seriellen Kommunikation. Leider werden Versorgungsspannungen auf dem Board durch LEDs signalisiert, die nicht softwareseitig deaktiviert werden können.
| CoreInk mit LiPo 390 mAh | ePaper | |||
| alle 30 min | mit WiFi | h | dV [v] | dV/h |
| 29.11.2020 15:08 | 4.848 | |||
| 16.12.2020 17:30 | 4.4.54 | 410.4 | 0.394 | 0.001 |
CoreInk ist ein neuer M5Stack Core mit einem 1,54″ s/w-eInk-Display. Ein ESP32-PICO-D4 steuert eine umfangreiche On-Board Peripherie. Über den Bus Connector kann der CoreInk erweitert werden. CoreInk ist mit einem LiPo-Akku mit 390 mAh ausgestattet. Für den Betrieb als Sensorknoten hier habe ich eine ENV II Unit über das Grove-Port mit dem CoreInk verbunden und messe Temperatur und relative Feuchte über diesen Sensor und die interne Batteriespannung. Die Batteriespannung ist nicht direkt zugänglich. Die Spannungsmessung erfolgt offenbar nach dem SY7088 und liegt bei etwa 4.8 V. Diese Spannung kann aber als Indikator für eine ausreichende Batteriespannung angesehen werden.
| M5Paper mit 1150 mAh | ePaper | |||
| alle 30 min | mit WiFi | h | dV | dV/h |
| 05.12.2020 01:21 | 4.250 | |||
| 04.02.2021 07:11 | 2.782 | 1469.8 | 1.468 | 0.001 |
M5Paper ist ein ESP32 Development Kit mit 4.7″ E-Ink Display mit Multi-Point Touch Screen
Durch Verwendung eines ESP32 sind Bluetooth und WLAN integriert. 16 MB Flash Speicher und ein TF-Kartenslot (microSD) sorgen für ausreichend Speicherplatz.
Integrierter ist ein 3.7 V LiPo-Akku mit eineR Kapazität von 1150 mAh.
| ePulse ESP32 mit 2 x AA (2600 mAh) | ohne | |||
| alle 30 min | mit WiFi | h | dV | dV/h |
| 19.01.2021 14:42 | 5.98 | |||
| 28.05.2021 16:42 | 4.95 | 3098.0 | 1.03 | 0.00033 |
Das ESP32-Entwicklungsboard ePulse wurde von den Entwicklern bei Thingpulse für Anwendungen optimiert, bei denen ein niedriger Schlafstrom und ein breiter Bereich der Eingangsspannung erforderlich sind (https://thingpulse.com/product/epulse-low-power-esp32-development-board/).
Akzeptiert werden Versorgungsspannungen zwischen 3.3 und 12V. Im Deep Sleep liegt die Stromaufnahme zwischen 25 uA (bei 3.3 V) und 35 uA (bei 12V) (https://ckarduino.wordpress.com/2020/04/29/epulse-esp32-das-warten-hat-sich-gelohnt/). Die meisten ESP32- und ESP8266-Boards verbrauchen etwa 100 – 130 uA.
| MKR1300 WAN mit 2 x AA | LED | |||
| alle 30 min | mit LoRaWAN | h | dV[V] | dV/h |
| 30.12.2020 18:18 | 3.210 | |||
| 12.02.2021 01:24 | 2.611 | 1039.1 | 0.599 | 0.000576 |
Arduino MKR WAN 1300 ist ein leistungsstarkes Board, welches einen Atmel SAMD21 Cortex-M0+ Mikrocontroller mit einem LoRaWAN-Modul CMWX1ZZABZ von Murata ergänzt und somit die Basis für einen LoRaWAN-Knoten bilden kann.
Die Spannungsversorgung des Arduino MKR WAN 1300 kann über USB, den Anschluss VIN oder mit zwei 1.5 V AA- oder AAA-Batterien erfolgen. Der Anschluss eines LiPo-Akkus ist nicht vorgesehen. Der Anschluss VIN ist für eine stabilisierte Spannung von 5 V DC gedacht.
An den U.FL-Stecker ist ein passendes Kabel für die Antenne anzuschließen. Damit sind bereits alle Voraussetzungen für den Aufbau eines LoRaWAN-Knotens auf Basis eines Arduino MKR WAN 1300 erfüllt.
Ich habe für den Test hier noch ein MKR Connection Carrier Board verwendet, wodurch ein einfacher Anschluss eines SHT31-Sensors (oder anderer Sensoren) über das Grove-Interface möglich ist.
| Heltec HTCC-AB02A mit 1/2 AA LiPo 1200 mAh | ohne | |||
| alle 30 min | mit LoRaWAN | h | dV[V] | dV/h |
| 07.12.2020 01:29 | 3.6 | |||
| 29.06.2021 17:16 | 3.516 | 4911.8 | 0.084 | 0.000017 |
Heltec CubeCell 1/2 AA Node ( Heltec HTCC-AB02A) unterscheidet sich von den anderen CubeCell Boards durch den Batteriehalter für eine nicht aufladbare 1/2 AA Lithium Chlorine Sulfite Battery und einen SMA-Anschluss für eine externe LoRa-Antenne.
Durch das Ultra Low Power Design unter Verwendung eines ASR605x Controllers (PSoC 4000 Series MCU (ARM Cortex M0+ Core) und SX1262) wird im Deep Sleep die Stromaufnahme auf 3.5 uA reduziert.
| WASN (ASR6501 ) mit 3000 mAh | ohne | |||
| alle 5 min | mit LoRaWAN | h | dV[V] | dV/h |
| 11.02.2021 22:18 | 4.218 | |||
| 24.05.2021 21:32 | 2.594 | 2447.2 | 1.624 | 0.000664 |
Hier wird der WASN Indoor Sensor zur Überwachung der Luftgüte mit einem Sensor BME680 ein. Inbetriebnahme mit dem WASN CubeCell Configurator verliefen reibungslos. Den TTN Decoder habe ich leicht modifiziert, so dass iAQ, Temperatur und Feuchtigkeit zu Thingspeak zur Visualisierung gesendet werden. Die im 2-Minuten Takt erhobenen Messwerte können unter https://thingspeak.com/channels/1260602 nachverfolgt werden. Mein Blogbeitrag ist unter https://trylora.wordpress.com/2020/12/22/uberwachung-der-luftgute/ zu finden.
Alle getesteten LoRaWAN-Knoten senden solange ihre Daten in die Application epapernodes bei TTN, wie eine ausreichende Spannungsversorgung möglich ist.
Beim PaperiNode ist die Spannung ausschliesslich vom Ladezustand des SuperCap abhängig. Der SuperCap wird über die interne Solarzelle nachgeladen. Die grün hinterlegten Zeilen zeigen die im Halbstundentakt übermittelten Messages des PaperiNodes.
Fazit:
Bei den hier untersuchten Boards handelt es sich ausnahmslos um Standard-Boards, die nur teilweise die Aspekte für ein striktes Low-Power-Design erfüllen.
„Stromfresser“ sind vor allem in der Peripherie der Mikrocontroller zu suchen. Displays, LEDs, Spannungsregler, ungünstig dimensionierte Spannungsteiler und nicht abschaltbare Sensoren oder Peripheriebausteine u.ä. sind hier an vorderster Stelle zu sehen. Das Schaltungsdesign des PaperiNode sollte deshalb als Beispiel eines stromsparenden Schaltungsentwurfs durchaus mal studiert werden. Dabei ist es unabhängig davon, ob die Spannungsversorgung über ein SuperCap oder einen LiPo-Akku erfolgt.
Erwartungsgemäß schneiden LoRaWAN- gegenüber WiFi-Knoten bzgl. des Strombedarfs besser ab. Mit dem ePulse ESP32 wurden allerdings beachtliche Laufzeiten erreicht.
Der einzige Test, der zur Zeit noch läuft ist der des Heltec HTCC-AB02A. Entschieden ist jedoch bereits alles.
| Rang | Board | Zyklus | Laufzeit | Funk | |
| 1 | Heltec HTCC-AB02A mit 1/2 AA LiPo 1200 mAh *) | 30 min | 4911.8 h | 29 w | LoRa |
| 2 | ePulse ESP32 mit 2 x AA (2600 mAh) | 30 min | 3098.0 h | 18 w | WiFi |
| 3 | WASN (ASR6501 ) mit 3000 mAh | 5 min | 2447.2 h | 15 w | LoRa |
| 4 | M5Paper mit 1150 mAh | 30 min | 1469.8 h | 9 w | WiFi |
| 5 | MKR1300 WAN mit 2 x AA | 30 min | 1039.1 h | 6 w | LoRa |
| 6 | T5 mit LiPo 1000 mAh | 30 min | 450.8 h | 3 w | WiFi |
| 7 | CoreInk mit LiPo 390 mAh | 30 min | 410.4 h | 2.5 w | WiFi |
*) Test noch nicht beendet
2021-05-28/ck
ckArduino 