不用擔(dān)心電池電量的開源系統(tǒng)

我們使用 Adafruit FeatherWing Doubler 將 ESP32 V2 微控制器（主機(jī)）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。

?

傳感器和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)由 ESP32 主機(jī)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(huì)通過 MQTT 路由將示例數(shù)據(jù)發(fā)送到Adafruit.io 。

有效負(fù)載經(jīng)過 JSON 編碼并通過 JSONATA 進(jìn)行轉(zhuǎn)換以傳送到云服務(wù)；有關(guān)更多信息，請參閱使用 JSONATA 進(jìn)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(xiàng)目一樣，包括一個(gè)水輪機(jī)、一個(gè)流量傳感器和核心系統(tǒng)。

渦輪機(jī)產(chǎn)生 5 V 電源。

?

水流傳感器通過霍爾效應(yīng)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。

?

?

使用單個(gè)水輪機(jī)，電壓捕獲為 5 V，電流為 93.3 mA。

?

電池?zé)o法充電，如下圖所示，它會(huì)不斷耗盡，直到完全放電。每秒轉(zhuǎn)數(shù)保持在 45 到 50 之間。

?

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(gè)渦輪機(jī)。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(shí)，“燈泡”時(shí)刻到來了。電池串聯(lián)會(huì)增加電壓，并聯(lián)會(huì)增加電流。然后與電池一樣，我如何將水輪機(jī)連接到同一條管道并并聯(lián)它們的電力貢獻(xiàn)。

多一個(gè)

在這里，我應(yīng)用上一節(jié)中的“啊哈”時(shí)刻，并將兩個(gè)水輪機(jī)連接到同一條管道上，將它們并聯(lián)連接到相同的試驗(yàn)板導(dǎo)軌。

?

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

該怎么辦？

6個(gè)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。

?

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(guān)閉電池可保持系統(tǒng)運(yùn)行和傳輸。恢復(fù)電池電源不會(huì)中斷系統(tǒng)，也不會(huì)重啟系統(tǒng)。

現(xiàn)在來測試一個(gè)更真實(shí)的場景。

添加繼電器定時(shí)系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)并非 24/7 全天候運(yùn)行，它們有自己的運(yùn)行時(shí)間表。在這里，我使用一個(gè)簡單的系統(tǒng)每小時(shí)運(yùn)行 15 分鐘，是的有點(diǎn)太多了，但考慮到這只是一個(gè)循環(huán)水關(guān)閉系統(tǒng)，不會(huì)浪費(fèi)水。

繼電器系統(tǒng)由一個(gè) HUZZA32、一個(gè)功率繼電器 FeatherWing 和一個(gè)精密實(shí)時(shí)時(shí)鐘 FeatherWing 組成，都是 Adafruit 板。

?

下圖顯示了系統(tǒng)運(yùn)行的兩個(gè)周期。在每個(gè)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(gè)循環(huán)中，電池幾乎耗盡，在某個(gè)時(shí)候它會(huì)以 0% 的電量恢復(fù)，即使這樣它也會(huì)喚醒系統(tǒng)并為電池充電。

?

該圖顯示了一些差異，兩個(gè)周期之間有一個(gè)峰值，這是由于我通過短時(shí)間手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)水流進(jìn)行的測試，另一個(gè)是每秒的轉(zhuǎn)數(shù)，由于該測試內(nèi)部計(jì)數(shù)器可能已損壞。有趣的是，單渦輪機(jī)系統(tǒng)的流速高達(dá)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(jī)確實(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的流動(dòng)壓力。

鼓聲，沒有電池！

是的，最后的考驗(yàn)。

?

取出電池，查看所提供的電量是否足以啟動(dòng)系統(tǒng)、傳輸然后關(guān)閉。

是的！?。?。6 個(gè)渦輪機(jī)提供的電流足以啟動(dòng)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?wù)。

?

上圖顯示了第一個(gè)數(shù)據(jù)的峰值，因?yàn)檫@是它與 150 毫安的 WiFi 接入點(diǎn)建立連接的時(shí)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(shí)相信增加電流（增加更多渦輪機(jī)）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(yùn)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(shè)置

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

有效負(fù)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(fù)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(fù)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(jìn)行路由和數(shù)據(jù)格式化

一開始，我為負(fù)載中的每個(gè)數(shù)據(jù)組件創(chuàng)建了一個(gè)路由（如下所示），但這是Adafruit.io服務(wù)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(fù)載中傳遞的組數(shù)據(jù)保持在一起。

?

需要使用 JSONATA 格式化數(shù)據(jù)，下面是每個(gè)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(shí)間序列。

每個(gè)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(fù)載中發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)更快。

?

以上是 Battery、Light（即將推出的項(xiàng)目）、Power 和 WaterFlow 的組提要。

結(jié)論

這是一個(gè)非常鼓舞人心的項(xiàng)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(shè)計(jì)一臺(tái)渦輪機(jī)，只需一臺(tái)設(shè)備即可提供足夠的電流。

請務(wù)必查看即將開展的太陽能和風(fēng)能項(xiàng)目。

附錄

Wi-Fi 記事卡設(shè)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(wù)。請注意，該指南強(qiáng)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(gè) CLI 來使用 Notecard，但是將所有內(nèi)容都放在一個(gè)頁面中對遵循設(shè)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(diǎn)”指南中的說明。

我建議完成快速入門并熟悉 Notehub 的基礎(chǔ)知識(shí)，因?yàn)檫@兩者都將幫助您了解此項(xiàng)目中的其他步驟。