Es wurde eine funktionstüchtige photovoltaik-betriebene Messstation entwickelt.

Im Rahmen der Vorlesung „Energieeffiziente Mikrocontroller“ sollte über das Semester hinweg ein Projekt bearbeitet werden, dass die Energieeffizienz eines Gesamtsystems steigert.

Es wurde eine solarbetriebene Messstation für Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit entwickelt. Hierzu wurde der Sensor BMP280 verwenden. Die nötige Energie wird über zwei Photovoltaik-Module gewonnen und in einem Lithium-Ionen-Akku mit 2500mAh gespeichert. Somit kann die Messstation völlig autark agieren. Sowohl die Datenverarbeitung als auch das Aufladen des Akkus konnte über den verwendeten ESP32 Lolin Mikrocontroller realisiert werden. Die gewonnenen Daten werden zum einen über ein OLED-Display ausgegeben und zum anderen über Bluetooth Low Energy (BLE) oder WiFi übertragen. Außerdem werden die Daten auf dem internen Flash des Mikrocontrollers gespeichert. Die Komponenten wurden auf einer Leiterplatte zusammengefasst und in einem Gehäuse platziert.

Es wurden somit 2 Varianten entwickelt. Eine BLE-Variante, die die energieeffizienteren Radios verwendet, aber auf Grund eines fehlenden Autoconnets nicht in einen Sleep gelegt werden kann und somit immer im Betriebsmodus ist. Die WiFi-Varianten hingegen verwendet das WiFi-Modul, welches wesentlich mehr Strom verbraucht als das BLE-Modul, dafür kann das Gesamtsystem aber schlafen gelegt werden und nur bei Bedarf geweckt werden. Eine Auswertung, welche Variante energieeffizienter ist, wurde zum Zeitpunkt der Klausur noch nicht ermittelt.
Die Übertragung der Daten hängt dabei auch vom Anwendungsfall ab. Sollte die Messstation zum Beispiel als “Bürger-Messstation“ dienen, an der Passanten die Umweltinformationen bequem mit dem Smartphone abrufen können, wäre eine Übertragung über BLE zu bevorzugen. Wenn die Messtation aber zum Beispiel für industrielle genutzte Gewächshäuser zur Überwachung der Umweltparameter genutzt wird, wäre die Übertragung über WiFi von Vorteil. Darüber hinaus kann die Messstation auch für wissenschaftliche Untersuchungen genutzt werden und die Umweltdaten speichern und für eine spätere Auswertung bereitstellen, ohne vom Stromnetz abhängig zu sein.
Das besondere an der Photovoltaik-Messtation ist, dass all diese Anwendungsfälle nur durch Änderung der Software erreicht werden können.

Zwar ist das genaue Anwendungsgebiet der Messstation nicht genau definiert, aber wir konnten die ungezwungene Art der Projektarbeit nutzen, viele Dinge auszuprobieren. Was uns besonders gefallen hat, war das Ausprobieren verschiedener Dinge ohne Konsequenzen bei Fehlfunktion oder Misserfolg. Diese Möglichkeit bekommt man vermutlich nicht mehr oft im Berufsleben und es hat Spaß gemacht nochmals so spielerisch zu lernen.

Was wir aus dieser Projektarbeit ziehen können und welche Fähigkeiten wir erlernt und aufgefrischt haben, möchten wir folgenden stichpunktartig auflisten:

·         Verwendung und Auslegung von Solarmodulen

·         Energiespeicherung auf Lithium-Ionen-Akkus

·         Kennenlernen von Super-Caps

·         Verwendung von Sleep-Modis

·         Verwendung von Touch- und Timer-Interrupts

·         Verwendung von I²C

·         Verwendung des BLE-Moduls

·         Verwendung des WiFi-Moduls

·         Verwendung des internen Flashes

·         Kennenlernen des MQTT-Protokolls, welches großes Ansehen bei IoT-Anwendungen findet

·         Anwendung eines systematischen Projektmanagements

·         Dokumentation des Projektfortschritts

Um die Energieeffizienz, die in diesem Modul im Vordergrund steht, zu optimieren wurden verschiedene Aspekte betrachtet und optimiert. Es wurde versucht in allen Entwicklungsschritten die Energieeffizienz mit zu betrachten.

1.       Es wurde mit dem ESP32 Lolin ein Mikrocontroller ausgewählt, der sehr wenig Energie verbraucht. Darüber hinaus stellt der Lolin weitere On-Chip Bausteine und Funktionen bereit, die für die Realisierung des Projekts notwendig waren. Dazu zählt:

·         Die Möglichkeit, die Lithium-Ionen-Akkus mit den Photovoltaik-Modulen zu laden

·         Einen internen Speicher

·         Einen interruptfähigen Touchpin

·         Verschiedene Sleep-Modi

·         Ein BLE- und ein Wifi-Modul

Durch die Nutzung der bereits vorhandenen Funktionen auf dem Lolin, konnte Peripherie eingespart werden, welche selbst wieder den Stromverbrauch erhöht hätte. Dazu zählen z.B. BLE-Module, WiFi-Module und Speicherkarten.

2.       Wie bereits angesprochen, wurde der Energieverbrauch nicht nur durch die Vermeidung von weiteren Bausteinen gesenkt, sondern auch durch die Programmierung. Das System kann in einen Deep-Sleep-Modus versetzt werden. Es wird dann entweder über einen Timer-Interrupt oder einen Interrupt über den Touch-Pin aufgeweckt. Somit wird der Energieverbrauch in den Nicht-Betriebsphasen gesenkt.

3.       Um den Energieverbrauch zu minimieren, wurde das System dann nochmals ganzheitlich betrachtet. Hierbei wurde analysiert, dass die Ausgabe den größten Verbraucher darstellt. Deswegen wurde ein energiesparendes OLED-Display ausgewählt. Des Weiteren wird die Anzeige auch nur über einen Touchpin-Interrupt geweckt und verbraucht somit Strom, wenn es wirklich nötig ist.

Was uns während der Projektarbeit Schwierigkeiten bereitet hat, waren im Wesentlichen zwei Punkte. Zum einen gab es zu Projektstart so gut wie keine Reglementierungen. Dies birgt natürlich Freiheiten, erschwert es jedoch, den Rahmen der Projektarbeit abzustecken. Das Projekt ufert dann ziemlich schnell aus. Zum anderen ist das Problem die zeitliche Planung. Es wäre uns eine Hilfe gewesen, wenn es ein Dokument gäbe, dass angibt, wie weit man in der jeweiligen Vorlesungswoche ungefähr sein soll.