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電子發(fā)燒友網(wǎng)>電子資料下載>電子資料>不用擔心電池電量的開源系統(tǒng)

不用擔心電池電量的開源系統(tǒng)

2023-07-13 | zip | 0.00 MB | 次下載 | 免費

資料介紹

描述

介紹

該項目的靈感來自我的女兒Elizabeth Vicarte和她的項目FloWat -> Flow Water ,它描述了第一次嘗試使用水動能創(chuàng)建一個自我可持續(xù)的系統(tǒng)。

該項目擴展了這一想法,并展示了利用管道中自然水流的機械能發(fā)電的可行性。

系統(tǒng)監(jiān)控:水輪機產(chǎn)生的電力,以及系統(tǒng)的電力消耗。它還捕獲用水量。

最終目標是證明系統(tǒng)可以在戶外部署后不用擔心電池電量。好奇,繼續(xù)閱讀,看看我是否能夠達到無電池狀態(tài)。

材料

以下是收集傳感器數(shù)據(jù)并通過 Notehub.io 傳輸?shù)皆品盏暮诵南到y(tǒng)材料

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pYYBAGSAZ7aASTs5AAHsBDmun90527.jpg
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1 / 7 ?記事卡 Wi-Fi
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核心系統(tǒng)

核心系統(tǒng)分為兩個主要任務:電源/傳感器監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫恕?/font>

我們使用 Adafruit FeatherWing Doubler 將 ESP32 V2 微控制器(主機)連接到 Adafruit FeatherWing INA219 以監(jiān)控發(fā)電。它還通過 I2C 連接到 Adafruit LC709203F 以監(jiān)控電池狀態(tài),最后通過 I2C 連接到 OLED 顯示器以更新狀態(tài)。

數(shù)據(jù)流如此鏡像所顯示。

poYBAGSAZ7iAEE5xAABO8macuQY348.jpg
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傳感器和監(jiān)控數(shù)據(jù)由 ESP32 主機獲取并格式化,然后傳輸?shù)接浭驴?WiFi,后者將其發(fā)送到Notehub.io ,并從那里路由到其目的地Adafruit.io

系統(tǒng)每 10 秒采樣一次數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到 Notehub.io。每分鐘都會通過 MQTT 路由將示例數(shù)據(jù)發(fā)送到Adafruit.io 。

有效負載經(jīng)過 JSON 編碼并通過 JSONATA 進行轉(zhuǎn)換以傳送到云服務;有關更多信息,請參閱使用 JSONATA 進行路由和數(shù)據(jù)格式化部分。

第一次嘗試

我的第一次嘗試與伊麗莎白的項目一樣,包括一個水輪機、一個流量傳感器和核心系統(tǒng)。

渦輪機產(chǎn)生 5 V 電源。

pYYBAGSAcQqAfg4xAADP0SGEXXs732.jpg
?

水流傳感器通過霍爾效應磁傳感器產(chǎn)生中斷,核心系統(tǒng)跟蹤脈沖。該傳感器至少需要 5 V 電源。

poYBAGSAcQ2AH975AAClfVF0t0U675.jpg
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使用單個水輪機,電壓捕獲為 5 V,電流為 93.3 mA。

poYBAGSAcRCAZw6VAAWu_Rb16Gs756.jpg
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電池無法充電,如下圖所示,它會不斷耗盡,直到完全放電。每秒轉(zhuǎn)數(shù)保持在 45 到 50 之間。

pYYBAGSAcRWAXLmPAAEWjG2YasQ108.jpg
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顯然,這種安排不能提供所需的能量。

我開始研究如何在不改變電壓的情況下增加電流,并且只保留一個渦輪機。MOSFET 和超級電容上場了,但在審查電池的并聯(lián)和串聯(lián)電連接時,“燈泡”時刻到來了。電池串聯(lián)會增加電壓,并聯(lián)會增加電流。然后與電池一樣,我如何將水輪機連接到同一條管道并并聯(lián)它們的電力貢獻。

多一個

在這里,我應用上一節(jié)中的“啊哈”時刻,并將兩個水輪機連接到同一條管道上,將它們并聯(lián)連接到相同的試驗板導軌。

poYBAGSAcRiAcTOmAAK0K8XoNkg758.jpg
?

結(jié)果是 5 V 輸出,但現(xiàn)在電流約為 138 mA。關閉電池電源,僅使用水輪機產(chǎn)生的電力,系統(tǒng)嘗試啟動,但在 Notecard 打算與 AP 建立通信時,電流需求量大于提供的 138 毫安并開始進入電源循環(huán)。

該怎么辦?

6個怎么樣?

好吧,如果 2 還不夠,讓我們試試 6。哇!!!

該系統(tǒng)現(xiàn)在在相同的 5 V 輸出下產(chǎn)生大約 250 毫安的電流。

poYBAGSAcSGAR6Q-ABrxIdwz2BI877.jpg
?

而且,瞧!產(chǎn)生的電流能夠通過電池失效測試。在數(shù)據(jù)傳輸周期中關閉電池可保持系統(tǒng)運行和傳輸。恢復電池電源不會中斷系統(tǒng),也不會重啟系統(tǒng)。

現(xiàn)在來測試一個更真實的場景。

添加繼電器定時系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)并非 24/7 全天候運行,它們有自己的運行時間表。在這里,我使用一個簡單的系統(tǒng)每小時運行 15 分鐘,是的有點太多了,但考慮到這只是一個循環(huán)水關閉系統(tǒng),不會浪費水。

繼電器系統(tǒng)由一個 HUZZA32、一個功率繼電器 FeatherWing 和一個精密實時時鐘 FeatherWing 組成,都是 Adafruit 板。

poYBAGSAcSaASjAUAAiFCGXePgs746.jpg
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下圖顯示了系統(tǒng)運行的兩個周期。在每個循環(huán)中,您都可以看到電池百分比上升,這意味著正在充電。

另請注意,在第二個循環(huán)中,電池幾乎耗盡,在某個時候它會以 0% 的電量恢復,即使這樣它也會喚醒系統(tǒng)并為電池充電。

poYBAGSAcSmACx0OAAFvgMinUL4454.jpg
?

該圖顯示了一些差異,兩個周期之間有一個峰值,這是由于我通過短時間手動轉(zhuǎn)動水流進行的測試,另一個是每秒的轉(zhuǎn)數(shù),由于該測試內(nèi)部計數(shù)器可能已損壞。有趣的是,單渦輪機系統(tǒng)的流速高達每秒 50 轉(zhuǎn),現(xiàn)在已降至每秒 32 轉(zhuǎn)。擁有所有這些渦輪機確實會影響系統(tǒng)的流動壓力。

鼓聲,沒有電池!

是的,最后的考驗。

pYYBAGSAcS6AZIHOAABLApPxK9s167.jpg
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取出電池,查看所提供的電量是否足以啟動系統(tǒng)、傳輸然后關閉。

?

是的!!!。6 個渦輪機提供的電流足以啟動系統(tǒng)、與 AP 建立通信、從流量傳感器收集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆品铡?/font>

poYBAGSAcTCAX9nNAADIHcLE7L4621.jpg
?

上圖顯示了第一個數(shù)據(jù)的峰值,因為這是它與 150 毫安的 WiFi 接入點建立連接的時間。數(shù)據(jù)收集和傳輸平均使用 135 毫安的電流,速度約為每秒 32 轉(zhuǎn)。

請注意,我還嘗試了蜂窩記事卡,但在這種情況下,與蜂窩塔建立通信所需的電流超過 250 毫安的最大值。我確實相信增加電流(增加更多渦輪機)并使輸出接近 500 毫安(如 Blues 無線所需功率所述)將使系統(tǒng)運行。

這一結(jié)果顯示了系統(tǒng)利用自然資源自我維持的能力。

Notehub.io 設置

將數(shù)據(jù)發(fā)送到 Notehub 是一件輕而易舉的事情。

有效負載包含三組數(shù)據(jù)。水流、電池和電源組。

水流有每升水流量(waterflowperlt)和每轉(zhuǎn)水流量(waterflowperrev)數(shù)據(jù),來自傳感器流量裝置。

電池組包含電池百分比、溫度和電壓,來自 LC709203 電池監(jiān)控器。

電源組由總線電壓、電流、負載、分流和功率數(shù)據(jù)組成,來自 INA219 器件。

//Flow sensor data
J *flow = JCreateObject();
JAddNumberToObject(flow, "waterflowperrev", pulseCountperSec);
JAddNumberToObject(flow, "waterflowperlt", flowMilliLitres);
JAddItemToObject(body, "flow", flow);
//Battery monitor data
J *battery = JCreateObject();
readBattery(batteryStatus, bufTemp, battery);
JAddItemToObject(body, "battery", battery);
//Water turbine power data
J *power = JCreateObject();
readPower(inPowerStatus, power);
JAddItemToObject(body, "power", power);
JAddItemToObject(req, "body", body);

有效負載每 10 秒發(fā)送一次到 Notehub.io,并通過 MQTT 路由器每分鐘發(fā)送一次到Adafruit.io 。

使用 JSONATA 進行路由和數(shù)據(jù)格式化

一開始,我為負載中的每個數(shù)據(jù)組件創(chuàng)建了一個路由(如下所示),但這是Adafruit.io服務的過載。

然后,我了解到Adafruit.io可以處理作為 JSON 對象傳遞的數(shù)據(jù)組。使用這種格式,我能夠?qū)⒙酚蓴?shù)量減少到 3 條,并將有效負載中傳遞的組數(shù)據(jù)保持在一起。

pYYBAGSAZ7-AcqvLAAErSPEawBs649.jpg
?

需要使用 JSONATA 格式化數(shù)據(jù),下面是每個路由的 JSONATA 代碼:分別是 AdafruitFlow、AdafruitPower 和 AdafruitBattery。

WATER FLOW
{ "feeds":{
  "waterflow.perliter": body.flow.waterflowperlt,
  "waterflow.perrevolution": body.flow.waterflowperrev},
  "location": {
    "lat": 0.0,
    "lon": 0.0,
    "ele": 0.0
  }}

POWER  
  { "feeds":{
  "power.busvoltage": body.power.Bus,
  "power.current": body.power.Current,
  "power.load": body.power.Load,
"power.shunt": body.power.Shunt,
"power.power": body.power.Power},
  "location": {
    "lat": 0.0,
    "lon": 0.0,
    "ele": 0.0
  }}

BATTERY
  { "feeds":{
  "battery.batterypercentage": body.battery.Percent,
  "battery.batterytemperature": body.battery.Temp,
  "battery.batteryvoltage": body.battery.Voltage},
  "location": {
    "lat": 0.0,
    "lon": 0.0,
    "ele": 0.0
  }}

請注意,為了使其成為Adafruit.io 的有效組,添加了沒有數(shù)據(jù)的位置字段。

Adafruit 儀表板

在Adafruit.io上組裝儀表板也非常簡單。

以下是儀表板的時間序列。

?

每個提要的圖形界面也非常有用。

數(shù)據(jù)分組

Adafruit.io允許對有效負載中發(fā)送的數(shù)據(jù)進行分組。您可以在此處閱讀更多內(nèi)容

使用組減少了對我的數(shù)據(jù)的請求數(shù)量并使其響應更快。

pYYBAGSAcTaAYJ6VAAHxj9zlSXA343.jpg
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以上是 Battery、Light(即將推出的項目)、Power 和 WaterFlow 的組提要。

結(jié)論

這是一個非常鼓舞人心的項目。想象一下灌溉和管道健康的數(shù)據(jù)收集,或者不需要任何外部電源的系統(tǒng)中的泄漏。

下一步,設計一臺渦輪機,只需一臺設備即可提供足夠的電流。

請務必查看即將開展的太陽能和風能項目。

附錄

Wi-Fi 記事卡設置

Blues Wireless 文檔提供了簡明易懂的指南,可將您的 Notecard 連接到“快速入門”中的 Notehub 服務請注意,該指南強烈依賴于使用支持 Web 串行通信的 Chrome 版本。您還可以選擇安裝一個 CLI 來使用 Notecard,但是將所有內(nèi)容都放在一個頁面中對遵循設置過程有很大幫??助。

如果您使用的是 Wi-Fi 記事卡,請確保還遵循“連接到 Wi-Fi 接入點”指南中的說明。

我建議完成快速入門并熟悉 Notehub 的基礎知識,因為這兩者都將幫助您了解此項目中的其他步驟。


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