ESP32 „ECO Power“-Board und die Technik

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Schlüsselfertige ESP32-Lösung mit LoRa

Die schlüsselfertige ESP32-kompatible Platine kann sofort in der original Arduino-Umgebung verwendet werden. Die enthaltene RadioShuttle-Funkprotokollsoftware ermöglicht die Knoten-zu-Knoten-Kommunikation ohne weitere Router und Server. Die Lösung ist für Batteriebetrieb (CR123) ausgelegt, lässt sich aber auch mit einer externen Stromversorgung betreiben. Ein beigelegter Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor kann aufgesteckt oder extern genutzt werden. Ein Steckplatz erlaubt individuelle Hardware-Erweiterungen. Der integrierte RTC-Baustein liefert die genaue Uhrzeit. Einfach genial!

Rechenpower mit ESP32-Modul

Unser „ECO Power“-Board ist um einen ESP32-Prozessor (MCU) von Espressif Systems aufgebaut. Mit einem beigelegten USB-Programmieradapter verbindet man das Board per USB-Anschluss mit dem Windows-, Linux- oder Mac-Computer. Dank der ESP32-Kompatibilität wird es in der Arduino IDE als „ESP32 Dev Module“ erkannt. Natürlich kann auch die WiFi- und Bluetooth-Funktion des ESP32-Moduls genutzt werden.

LoRa-Funkmodul

Als LoRa-Funkmodul verwenden wir das 868 MHz RFM95 Transceiver-Modul der Firma HOPERF. Es ist für eine maximale konstante Sendeleistung von +20 dBm bzw. 100 mW spezifiziert, wobei wir in der EU eine effektive Abstrahlleistung von +14 dBm nicht überschreiten dürfen. Das erzielbare Link Budget (Leistungsbilanz), welches grob gesagt die Qualität der gesamten Funkstrecke mit allen Verlusten und Gewinnen darstellt, wird vom Hersteller mit 168 dB angegeben. Der auf dem RFM95-Modul verbaute LoRa-Chip basiert auf der Semtech SX1276-Entwicklung.

Die notwendigen Signalleitungen des RFM95-Moduls sind direkt mit dem ESP32 verbunden. Dadurch kann unsere RadioShuttle-Software den vollen Funktionsumfang des Moduls ansteuern. Und auch der eigenen Kreativität und Experimentierfreude stehen bei der Entwicklung und Erprobung anderer Funkprotokolle keine Hardwarebeschränkungen im Wege.

Als Antenne genügt ein einfacher Draht, den man selbst auf die Platine lötet und abstimmt. Wer vorkonfektionierte Antennen verbauen möchte, findet ebenfalls eine vorhandene U.FL-Buchse und einen SMA-Platzhalter auf der Platine, eine auflötbare SMA-Buchse ist im Lieferumfang enthalten. Über Lötbrücken kann die Antenne zwischen Antennendraht (Standard), U.FL oder SMA umgestellt werden.

Flexible Spannungsversorgung

Die Betriebsspannung für das „ECO Power“-Board beträgt 2,5-3,6 Volt und kann von einer CR123-Lithium- oder LiFePO4-Zelle bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck ist auf der Rückseite der Platine ein Batteriefach für die CR123-Zelle fest verbaut. Hier können Batterien oder Akkus eingesetzt werden. Das ist besonders energiesparend und garantiert eine lange netzunabhängige Betriebsdauer mit einer Batterielaufzeit bis zu 5 Jahren.

Alternativ kann das Board auch komplett per Micro-USB-Anschluss mit Strom versorgt werden. Wer eine externe Batterie-Stromversorgung verwenden möchte, findet auf der Platine einen gesonderten Eingang für die Versorgungsspannung (2,5-3,6 Volt) als Batteriestromquelle oder 5 Volt am Programmieradapter. Die Wahl der Stromversorgung, Batterie oder USB, erfolgt automatisch, USB hat immer Vorrang. Fällt die USB-Stromversorgung aus, wird automatisch auf Batterie bzw. Akku umgestellt.

Für den Batteriebetrieb unter Verwendung intensiver WiFi-Kommunikation oder anderer stromhungriger Verbraucher lohnt sich der Einsatz von LiFePO4 Akkus (haben eine Kapazität von ca. 500 mAh), da diese bei 3 Volt große Ströme liefern können und wiederaufladbar sind. Für den stromsparenden Betrieb, z. B. „ECO Power“-Board mit LoRa und Temperatursensor, sind Lithium-Batterien, z. B. Varta CR123 (3 V, 1700 mAh), besser geeignet, da diese für viele Jahre Energie liefern können. Einfache AA-/AAA-Batterien (z. B. 2 x 1,5 V AA) sind nicht zu empfehlen, da diese sehr schnell unter die mindestens erforderlichen 2,5 Volt fallen können, obwohl noch viel Kapazität vorhanden ist. Wir empfehlen daher Lithium-Batterien oder LiFePO4-Akkus.

IO-Konzept

Die zwei Pin-Header-Reihen auf dem „ECO Power“-Board sind Signal-kompatibel mit dem ESP32-Modul. Durch die umfangreiche Ausstattung unseres Boards sind diverse Pins bereits intern vom System vorbelegt. Sie werden im Quellcode auf gleiche Weise wie beim Arduino ESP32 angesprochen und können teilweise zusätzlich für eigene Anwendungen verwendet werden – siehe Anschlussdiagramm. Für übliche Sensorknoten stehen auf jeden Fall genügend Digital-, Analog-, Seriell-und I²C- Anschlüsse zur Verfügung.

Bitte beachten Sie, dass der Espressif Systems ESP32 nur maximal 3,6 Volt verträgt. Alle Signale über 3,6 Volt müssen per Spannungsteiler entsprechend reduziert werden.

Auf der linken Seite des Boards – Antenne zeigt nach rechts – befindet sich das ESP32-Modul mit Reset- und User-Tastern sowie zwei LEDs (rot und grün). Ein schaltbarer Stromschalter (VDD) erlaubt es, externe parasitäre Verbraucher stromlos zu schalten. Hierfür ist eine p-Kanal-MOSFET-Schaltung enthalten.

Auf der rechten Seite haben wir eine Pin-Reihe für den Programmieradapter vorgesehen, welcher für den Arduino Seriellen Monitor sowie die Programmierung benötigt wird. Der Programmieradapter versorgt das Board mit Strom.

Beim RadioShuttle LoRa-Funkbetrieb leuchet die rote LED beim Senden und die grüne LED beim Emfang von Funkdaten. Zusätzlich flackert die grüne LED bei jedem Duchlauf der Arduino „Loop“, um auch ungewollte CPU-Aktivität sichbar zu machen. Die IO-Leitungen der LEDs können, falls erforderlich, doppelt genutzt werden. Hierfür sind Pins am Erweiterungssteckplatz vorhanden.

Präzise RTC-Uhr

Eine zusätzliche RTC-Uhr ist auf der Platine integriert, da der ESP32 im „deepsleep“-Stromsparmodus keine nutzbare Uhrzeit mehr liefert. Die RTC-Uhr ist temperaturkompensiert (TCXO) und läuft über Jahre hinweg sehr genau. Die RTC-Uhr wird in der „ECO Power“-Fertigung gegen eine Atomuhr kalibriert (Standard 10 MHz-Referenz per GPS), damit diese bestmöglich funktioneirt.

Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor

Der enthaltene Sensor benötigt im Ruhezustand sehr wenig Strom (< 1 µA) und erlaubt eine regelmäßige präzise Messung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Um den Sensor möglichst flexibel gemäß den Anforderungen einzusetzen, kann dieser oben links auf die Platine oder unter die Platine gesteckt werden (Pin-Header zum Anlöten gehören zum Lieferumfang). Alternativ kann der Sensor auch mit einem Kabel extern positioniert werden. Die Software zum Auslesen des Sensors ist in der RadioShuttle-Software integriert. Anstecken und fertig!

Energiemanagement

Wie oben bereits erwähnt, haben wir das Board so energiesparend wie möglich ausgelegt, um eine lange Batterielebensdauer zu erzielen. Dazu gehört die Verwendung möglichst hochohmig sperrender MOSFETs für die Stromversorgung und Schaltfunktionen sowie ein insgesamt ruhestromarmer Schaltungsaufbau.

Die mit dem „ECO Power“-Board ausgelieferte RadioShuttle-Software ist auf diese Hardware abgestimmt. Durch diverse energiesparende Algorithmen von der Paketgrößenoptimierung über die automatische Reduzierung der Sendeleistung bei guten Übertragungsverhältnissen, bis hin zur Verwendung der „sleep“- und „deepsleep“-Funktionen des ESP32 sind sie ein wesentlicher Baustein des ausgereiften Energiemanagements.

Durch Nutzung der RadioShuttle-Beispielsoftware mit integrierter Stromsparfunktion gelingt mit dieser ESP32-LoRa-Lösung unter dem Strich jedermann der einfache Aufbau von batteriebetriebenen Funksensoren.

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