Viktor Lindholm

Vecka 12

Blogginlägg Vecka 12
Projektet börjar nu gå mot sitt slut och ska avslutas nu i veckan. I nu läget är alla olika delar i projektet klara vilket är LoRaWan kommunikationen, Dallasprotokollet, Strömförsörjning och konstruktion. Det som är kvar är att sätta ihop allt och göra tester på den färdiga prototypen. Detta blogginlägg kommer fokusera på strömförsörjningen och konstruktionen för badsensorn.

PCB
PCB-korten kom förra veckan och komponenterna löddes på PCB:et som kan ses i figur 1.

Figur 1: PCB kortet

Lödningen av komponenterna gjordes med en värmeplatta och låg-temperaturs lödpasta, efter komponenterna var applicerade gjordes mätning med en multimeter i diod läge för att mäta om några löd bryggor uppstått eller om det var kortslutning till jord på någon ledning. Efter allt verkade bra kopplades ett spännningsagregat in som fick ersätta solpanelen för testmätning av spänningsnivåerna och strömförbrukning. Mätningen visade att kretsen inte fungerade för att två pads på PCB:et hade blivit fel till buck-boostconvertern, detta rättades till genom att modifiera kretsen och koppla om så benen till buck-boostconvertern blev rätt. Modifikationen kan ses i figur 2 där benen har böjts upp så de inte har kontakt med PCB:t och sedan byglats till rätt ställe, ett annat alternativ hade vart att löda av komponenten och kapa de felande kopparledningarna och kopplat om dem på PCB:et.


Figur 2: Modifiering av PCB.


Figur 3: Kretsschema för strömförsörjningen till badsensorn.

En intressant parameter att studera för kretsen till badsensorn är hur länge den kan strömförsörja mikrokontrollen utan att superkondensatorerna laddas av solpanelen. Kretsschemat till badsensorn kan ses i figur 3.

Strömförbrukning och uppskattad körtid utan laddning kan beräknas teoretiskt enligt ekvation 1.

De delar som kommer ge förluster i kretsen är laddningskretsen för superkondensatorerna, buck-boostconvertern, superkondensatorernas egen urladdning och lasten för kretsen som i detta fall är mikrokontrollen. Ekvation 1 kan skrivas om till ekvationen nedan.

En till variabel har tillkommit i ekvation 2 som är hur mycket energi som kan utnyttjas ur superkondensatorerna. Denna variabel tillkommer eftersom all energi ur superkondensatorerna inte kan utnyttjas eftersom buck-boostconvertern fungerar bara inom en viss spänningsnivå. Alla delar kan delas upp och beräknas och kollas upp i datablad för varje komponent. Buck-boostconverterns effektförluster beror på superkondensatorernas spänningsnivå och lasten som mikrokontrollen gör, därför måste dessa beräknas tillsammans.

Superkondensatorerna
Som energikälla för att driva badsensorns används två stycken seriekopplade 400 Farads superkondensatorer av tillverkaren AVX Corporation med artikelnummer: SCCY68B407SSBLE. Två parametrar som behövs för att kunna beräkna tiden som badsensorn ska kunna strömförsörjas av superkondensatorerna är hur mycket energi de kan lagra och läckströmmen. I databladet för superkondensatorerna kan man få fram att de kan lagra 0,405 Wh och största läckströmmen är 1mA. Eftersom superkondensatorerna är kopplade i serie kommer den totala lagrade energi vara den samma på 0,405 Wh men tillsammans kommer ge en högre spänning på 5,3 V och kommer därför ha maximala effektförlusten på 5,3 mW.

Laddkrets för superkondensatorerna
Eftersom superkondensatorerna är kopplade i serie måste någon form av kontroll av laddningen göras. Detta eftersom verkligheten inte är ideal så kommer superkondensatorerna laddas olika och då kan överspänning ske och superkondensatorn kan då gå sönder eller få minskad livslängd. Den krets som valts för att ladda superkondensatorerna är LTC3225 som är en krets av sedd för att just ladda superkondensatorer. Denna krets måste också kollas på för beräkningen hur lång tid badsensorn kan körs på superkondensatorerna, eftersom kollar man i databladet visar det sig att när ingen laddning sker har den en läckström på någonstans vid 2µA. Detta ger att den har en effektförlust på cirka 2µA x 5,3V = 10,6 µW.

Mikrokontroller och buck-boostconverter
För att kunna strömförsörja mikrokontrollen till badsensorn behövs en buck-boostkonverter vilket är en krets som kan ge en konstant utspänning för matningsspänningar som är större och mindre än själva utspänningen. Buck-boostkonvertern som används för detta projekt är en LTC3106, denna krets beror effektförlusten på både inspänningen och lasten som i detta fall är en mikrokontroller, så därför måste kretsen och mikrokontrollen beräknas tillsammans eftersom deras effektförlust beror utav varandra. Två parametrar måste kollas på för att kunna göra tid beräkningen för badsensorn. De två parametrarna som behövs kollas på är för vilka spänningar klara kretsen av att ge en 3,3 Volts utspänning och vilken effektförlust den har för olika laster. Detta måste kollas upp i databladet för att kunna beräkna hur mycket som går att utnyttja ur superkondensatorerna och hur mikrokontrollen påverkar effektförlusten. De två viktigaste graferna för kretsen kan ses nedan och kommer från databladet.

Det som drar mest effekt hos mikrokontrollen är sändningarna över LoRaWan. Sändningarna kan mätas till att ha en effekt på cirka 330 mW. Tiden det tar att sända över LoRaWan beror på vilken modulering som används och hur stor payload man sänder. Värsta fall för en lyckad sändning med LoRaWan är att använda SF12 modulering och då kan det ta upp till 2 sekunder att sända. Tanken i detta projekt är att mikrokontrollen ska sända all badsensordata varje kvart och sedan försätta mikrokontrollen i sov läge. Vid sov läge har mikrokontrollen bara en effektförlust på cirka 6,6 µW.

Beräkningen för effektförlusterna för kretsen och mikrokontrollen kan delas upp för en vid sändning och en vid sov läge. Vid sändning har mikrokontrollen en effektförlust på 330 mW vilket ger buck-boostkonverten en effektförlust på cirka 125 mW i medelvärde, detta är inte helt korrekt att beräkna med detta värde eftersom från graferna nedan kan det ses att effektförlusten inte är linjär mot inspänningen men detta värde kommer användas i alla fall. Detta ger att vid sändning sker en effektförlust på cirka 455 mW. För sov läge fås en total effektförlust på cirka 46,6 µW om värdena används från graferna nedan. Eftersom effektförlusten varieras beräknas medel effektförlusten för en timme med ekvation 3 nedan.


Figur 4: Två grafer för LTC3106 där den vänstra visar maximala ut strömmen mot matningsspänningen och den högra grafen visar effektförlusten mot lasten.

Om totaltiden sätts till 3600 sekunder som motsvarar en timme och sänd tiden till 2 sekunder och de beräknade effektvärdena vid sändning och sov läge och sätts in i ekvation 3 fås medeleffekten till 1.05 mW.

Den energi det går att utnyttja från superkondensatorerna sätts utav vad buck-boostconverten kan arbeta inom för spänningsområde. Kollar man i databladet kan man se att kretsen kan leverera runt 100 mA mellan 1,25 volt till över 5 volt som figur 4 ovan visar. Superkondensatorns energi kan ses som proportionell mot spänningen och vara linjär. Så den totala energi som kan användas kan beräknas genom att ta delen genom det hela som i detta fall blir 4,05/5,4 = 0,75. Detta betyder att badsensorn kan utnyttja 75 % av superkondensatorns fulla potential.

Uppskattad tid utan solljus
Om de beräknade värdena ovan sätts in i ekvation 2 kan den teoretiska tiden badsensorn klara av att köra utan solljus beräknas. Om värdena sätts in fås:

Så detta betyder att badsensorn teoretiskt ska klara omkring 2 dygn utan sol. Dessa siffror är om badsensorn skulle sända data dygnet runt en gång varje kvart. Energi går att spara genom att sätta badsensorn i sov läge under natten och bara sända över dagtid. Man kan även dra slutsatsen att det är superkondensatorernas effektförlust som har störst påverkan, men detta är beräknat med maxvärdet för effektförlusten och kan vara annorlunda. Ett verkligt test på kretsen kommer göras för att se om teorin stämmer överens med verkligheten.

Konstruktionen

Konstruktionen för badsensorn har påbörjats och tanken är att använda en boj som ska modifieras för att placera alla komponenter i för badsensorn. Bilden nedan visar en grov överblick på prototypdesignen.

Figur 5: Illustrations bild över konstruktionen.

Eftersom det saknas erfarenhet och kompetens i gruppen utav själva konstruktionens byggande, där vissa komponenter måste skäras ut och 3D-printas. Så eftersom projektet snart ska avslutats har Rikard Hamrin hjälpt till att påbörjat med att fixa de delarna som behövs för konstruktionen. Konstruktionen kan ses i figur 6 nedan.

Figur 6: Konstruktion av Badsensorn

Denna vecka
Denna vecka ska projektet avslutas och en slutpresentation av projektet ska göras, alla tester ska också vara gjorda så som funktionaliteten av strömförbrukningen, LoRa-kommnuikationen, solmätning och temperatur mätningen.

// Jonas, Kastriot, Viktor