Entwicklung einer solarbasierten Energieversorgung für IRIS-Sensorknoten

Wie kann ein Backbone aus Sensorknoten dauerhaft versorgt werden? Motivation Wie kann ein Backbone aus Sensorknoten dauerhaft versorgt werden? Idee: Mit Sonnenenergie und einer Solarzelle Autark Ausgereifte Technologie Vielzahl von Modultypen verfügbar Flexibler Anbringungsort Deshalb: Entwicklung einer solarbasierten Energieversorgung

Anforderungen an die Energieversorgung Das entwickelte Konzept Inhalt Anforderungen an die Energieversorgung Das entwickelte Konzept Stand der Arbeit Nächste Schritte

Ausfallsicherheit auch während Wintermonaten Anforderungen Ausfallsicherheit auch während Wintermonaten Betrieb innerhalb eines weiten Temperaturbereiches von -20°C bis +50°C Gute Handhabbarkeit der Energieversorgung Hohe Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Energieversorgung An verschiedene Energieverbräuche anpassbar

Sensorknoten im Backbonenetz Konzept Solarzelle Energiespeicher Ladeschaltung/ Laderegler Anforderungen der Sensorknoten im Backbonenetz

Konzept IRIS Knoten Solarpanel I/O ADC Versorgung Pufferkondensator Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel I/O ADC Versorgung Pufferkondensator Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel I/O ADC Versorgung Pufferkondensator Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel I/O ADC Versorgung Pufferkondensator Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel I/O ADC Versorgung Pufferkondensator Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel I/O ADC Versorgung Pufferkondensator Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel I/O ADC Versorgung Pufferkondensator Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V Temperatur- kompensation I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Einstellen der Ladespannung Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel Kontroll- schaltung Bypass Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V Temperatur- kompensation Kontroll- schaltung Bypass Kontrolsig. I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Einstellen der Ladespannung Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel Kontroll- schaltung Bypass Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V Temperatur- kompensation Kontroll- schaltung Bypass Kontrolsig. I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Einstellen der Ladespannung Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel Kontroll- schaltung Bypass Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V Temperatur- kompensation Kontroll- schaltung Bypass Notfall Batterie z.B. 2 X 1,5 V Trockenbatterie NiMh, Li Kontrolsig. Ein/Aus I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Einstellen der Ladespannung Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale

Konzept IRIS Knoten Solarpanel Kontroll- schaltung Bypass Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V Temperatur- kompensation Kontroll- schaltung Bypass Notfall Batterie z.B. 2 X 1,5 V Trockenbatterie NiMh, Li Kontrolsig. Ein/Aus I/O ADC Versorgung IRIS Knoten Einstellen der Ladespannung Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale Temperatursensor

Konzept IRIS Knoten IRIS Knoten Zustände: Interessante Spannungen: 1. Laden aktiv 2. Akku ist tiefentladen 3. Akku ist fast voll 4. Bypass aus der Solarzelle Solarpanel Unenn: 3,9V Uleerlauf: 4,9 V Temperatur- kompensation Kontroll- schaltung Bypass Notfall Batterie z.B. 2 X 1,5 V Trockenbatterie NiMh, Li Kontrolsig. Ein/Aus I/O ADC Versorgung IRIS Knoten I²C ADC Versorgung IRIS Knoten Interessante Spannungen: 1. Solarzellen-Spannung 2. Akkuspannung 3. Spannung des IRIS-Knotens 4. Spannung der Pufferbatterie Zustände Einstellen der Ladespannung Spannungen Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V Imax: 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V Iout: 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale Temperatursensor

Features der Energieversorgung Stand alone: Zur Funktion ist keine Software erforderlich, lediglich zur Kontrolle des Status Integrierbar: Die Platine ist an den IRIS-Knoten ansteckbar und ermöglicht weiterhin das Anstecken zusätzlicher Erwiterungsboards Guter Wirkungsgrad: Erreichbar durch die Arbeitspunktoptimierung der Solarzelle und der Verwendung von Schaltwandlern sowie eine niedrige Stromaufnahme der Gesamtschaltung

Features der Energieversorgung Ausfallsicherheit: Durch eine Notfallbatterie kann die Ausfallsicherheit erhöht werden Skalierbar: Die Energieversorgung kann an andere Energieverbräuche angepasst werden I²C-Interface: Sämtliche Zustände und Spannungen sind über eine I²C-Schnittstelle auslesbar  nur ein ADC-Pin wird somit benötigt

Stand der Arbeit

Inbetriebnahme abschliessen Labortests Nächste Schritte Inbetriebnahme abschliessen Labortests Dauertests mit Datenübertragung und Speicherung in MySQL Bewerten der Testergebnisse

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!