Batterielose ewige Wetterstation

Sagen Sie mir die Schritte

Es ist jetzt möglich, Remote-Mikrocontroller-Projekte mit geringem Stromverbrauch zu erstellen, die unbegrenzt ohne Batterien laufen können und selbst bei einem Stromausfall nicht ausfallen. Lassen Sie das auf sich wirken.

Als Beispiel zeigen wir Ihnen, wie Sie eine LoRa-basierte Wetterstation bauen, die ausschließlich mit Solarmodulen betrieben wird. Sein Code ist in CircuitPython geschrieben und läuft auf einem beliebten Hobby-Mikrocontroller-Board: dem Adafruit Metro M0 Express. Neu ist, dass es den Status des Wettermessprogramms auch bei völliger Dunkelheit, wenn der Strom ausfällt, beibehalten kann. Es wird intermittierendes Computing oder Perpetual Computing genannt und eröffnet eine neue Welt langlebiger Elektronik, in der viele Anwendungen gut und praktisch für immer laufen, ohne auf eine Batterie angewiesen zu sein.

Der Trick ist eine speziell modifizierte Version des CircuitPython-Interpreters, die gegen Stromausfälle widerstandsfähig ist. (Nicht die Sprache - die CircuitPython-Syntax bleibt erhalten). Das bedeutet, dass wir unsere Wetterstation nicht mit einer kontinuierlichen Stromquelle wie einer Batterie versorgen müssen. Stattdessen gewinnen wir Energie aus einer Solarzelle und speichern sie vorübergehend in einem Kondensator. Das System startet, wenn der Kondensator genug Energie enthält, um einen Code auszuführen, und das Programm macht dort weiter, wo es vor dem Stromausfall aufgehört hat. Auf diese Weise können wir Wetterinformationen opportunistisch sammeln, ohne uns auf eine potenziell umweltschädliche Batterie und häufige Fahrten zum Austauschen dieser Batterie verlassen zu müssen.

Endlich können wir wirklich dauerhafte, batterielose, energieautarke eingebettete Systeme mit handelsüblichen Komponenten bauen! Wir haben das Konzept 2020 mit unserem batterielosen Game Boy-Projekt unter der Leitung von Jasper de Winkel bewiesen, bei dem wir das Spiel mit Solarzellen und der kinetischen Energie der Tastendrücke der Spieler betrieben haben. Wir haben es jetzt zu CircuitPython gebracht.

Wir nennen unser System BFree. Sie können Ihren Mikrocontroller in Standard-CircuitPython programmieren, und eine speziell entwickelte Erweiterungsplatine speichert den Zwischenstand der Berechnung während Stromausfällen. Dann kann Ihr Mikrocontroller dort weitermachen, wo er aufgehört hat, und CircuitPython ordnungsgemäß weiter ausführen, wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist!

Battery Free Game Boy, September 2020, Auszug aus ACM Proceedings on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies

BFree besteht aus zwei Elementen: einer Erweiterungsplatine ("Shield"), die über dem Metro M0 Express angebracht ist, und einer Software, die nahtlos auf dem Metro M0 läuft. Diese Kombination ermöglicht es CircuitPython-Anwendungen, die für den Metro M0 geschrieben wurden, nach einem Stromausfall dort weiterzumachen, wo sie aufgehört haben. BFree wurde für den Betrieb in einer Umgebung entwickelt, in der die Stromversorgung des Adafruit Metro M0 nicht ausreicht.

Das BFree-Schild enthält einen Mikrocontroller der Serie MSP430FR von Texas Instruments. Die Besonderheit dieses Mikrocontrollers ist das Vorhandensein von nichtflüchtigem RAM in Form von ferromagnetischem RAM (FRAM). Diese Art von nichtflüchtigem Speicher ist stromsparend und Byte-adressierbar. Es funktioniert wie ein Standard-SRAM, hat aber den Vorteil, dass es seine Daten nicht verliert, wenn der Strom ausfällt. Es ist eine bessere Wahl als Flash-Speicher, der beim Schreiben viel Strom verbraucht und das Schreiben einer ganzen "Seite" auf einmal erfordert.

Die BFree-Software ist eine modifizierte Version von Ci...