Avtor: Mohit Bhoite
V preteklosti sem že izdelal »satelite« za spremljanje temperature na sončno energijo z ATTiny mikrokontrolerji [1], vendar sem želel izdelati satelit z vgrajenim radijem.
Ko sem naletel na razvojno ploščo XIAO nRF52840 [2] podjetja Seeed Studio, sem vedel, da sem našel idealnega kandidata. Ima celo vgrajen LDO in polnilnik baterij! Ta plošča je zgrajena okoli SoC nRF52840 podjetja Nordic Semi, ki ga dobro poznam, saj ga uporablja vsa strojna oprema Particle Gen3 [3].
Kaj potrebujemo
Razvojna plošča XIAO nRF52840 podjetja Seeed Studio. Za to sestavo ne potrebujete dražje različice »BLE Sense«.
Hibridni superkondenzator Eaton 50F, 3,8 V [4]
2 sončni celici SM141K04LV [5]
LCD modul [6]
0,5 mm2 bakrena žica
Plošča za senzor SHT31 [7]
Dioda 1N4148 ali katerakoli majhna usmerniška dioda
Električna shema
Električna shema je enostavna in jo vidite na sliki 1.
Ta vsebina je samo za naročnike
LCD zaslon
Ta majhen LCD modul sem našel, ko sem iskal majhne LCD zaslone z vgrajenimi I2C krmilniki. Te zaslone je presenetljivo težko najti! Tisti, ki jih najdeš, so ponavadi preveliki, majhni pa nimajo vgrajenega krmilnika. Ta je torej edinstvena najdba! Ima vgrajen LCD krmilnik PCF8576C, ki komunicira prek I2C. Več o njem lahko najdeš tukaj [8].
Senzor
Naredil sem majhno razširitveno ploščo za senzor temperature in vlažnosti SHT31. Za ta senzor lahko uporabite druge serijske razvojne plošče, kot je prikazano zgoraj, ali pa uporabite povsem drug senzor, na primer BME280.
Napajanje
XIAO ima vgrajen polnilnik baterij (BQ25101), katerega kontakti so izpostavljeni na spodnji strani plošče. Superkondenzator sem preprosto priključil na te kontakte. Sončne celice so priključene v serijo in kondenzator polnijo neposredno prek diode za zaščito pred obratno polariteto. Uporabil sem 1N4148, vendar lahko tukaj uporabite katero koli majhno signalno diodo. Če te sončne celice niso na voljo, jih lahko nadomestite z drugimi, ki so v istem napetostnem območju. Lahko jih povežete v serijo ali vzporedno, da dobite skupno napetost, ki je blizu maksimalni napetosti superkondenzatorja.
Če se poglobite, boste opazili, da vsaka sončna celica proizvaja maksimalno približno 2,23 V. Torej bi dve celici v seriji proizvedli 4,46 V, kar je za superkondenzator nekoliko previsoka napetost. Tu se zanašamo na padec napetosti diode v seriji, ki je približno 0,6 V. Superkondenzator tako prejme le približno 3,86 V. Po mojih opazovanjih ta napetost nikoli ni dosegla tako visoke vrednosti. To očitno ni najbolj učinkovit način polnjenja superkondenzatorja. Padec napetosti diode se spreminja s tokom in temperaturo. Idealno bi bilo za polnjenje superkondenzatorja uporabiti napravo za pridobivanje energije ali MPPT krmilnik, vendar za naše namene in cilje dioda zadostuje. V prihodnjih revizijah nameravam uporabiti ploščo za zajemanje energije, da bo celoten sistem učinkovitejši in varnejši. Morda bom uporabil sončni zbiralnik AEM10941 [8] od E-peas ali SPV1050 [9] od ST Micro.
Upoštevajte, da čeprav je superkondenzator priključen na baterijski priključek XIAO, ga ne smete uporabljati za polnjenje kondenzatorja, saj bi bila napetost previsoka. Polnilnik baterije je nastavljen na polnjenje pri 4,2 V, vendar je največja napetost za superkondenzator 3,8 V. Izpostavljanje višji napetosti ga bo uničilo.
Previdnost
Z superkondenzatorjem morate biti previdni, saj lahko v primeru kratkega stika sprosti do 9 amperov. To pomeni, da se lahko grdo opečete ali v najslabšem primeru pride do termičnega bega. Napetost je sicer varna za dotik in delo z njo, in zanesljivo vas ne bo stresla.
Programska oprema
Firmware je modificirana različica primera BLE beacon od Adafruit [10]. V bistvu napolnimo BLE beacon z meritvami temperature in vlažnosti. Na ta način satelit nikoli ne potrebuje »povezave« z gostiteljsko napravo, ampak preprosto prenaša signal, ki je na voljo vsem napravam, ki ga sprejemajo. Naprava porabi povprečno 100 uA toka. Menim, da obstaja možnost za nadaljnjo optimizacijo, vendar se s tem še nisem podrobneje ukvarjal.
Celotna izvorna koda za ta projekt je na voljo na strani GitHub projekta [11].
Na spletni strani Seeed Studio [12] si preberite, kako nastaviti Arduino IDE za delo z XIAO.
Izdelava
Kot vedno začnem izdelavo tako, da najprej sestavim celotno vezje na testni plošči. Ko vse deluje pravilno in sem optimiziral porabo energije, preidem na naslednji korak, to je dejansko izdelavo.
Okvir je izdelan iz 0,5 mm2 bakrene žice, vendar lahko uporabite tudi medenino. Posnel sem kratek video o tem, kako lahko medenino ali bakreno žico spremenite v ravno palico. Za lažjo izdelavo sem z Autodesk Eagle oblikoval predlogo v merilu 1:1. Za upogibanje palic uporabljam klešče z ravnimi konicami, za rezanje na želeno dolžino pa diagonalne škarje. Okvir je povezan z mrežo GND, zato je usmerjanje veliko lažje. Za vodenje celotne izdelave sem uporabil šablono, natisnjeno na papir. PDF-različico šablone lahko prenesete tukaj [13].
To je bilo prvič, da sem v svoji konstrukciji poskusil uporabiti krožne upogibe. Izkazalo se je, da je bilo veliko lažje, kot sem mislil (brez besedne igre). Bakreno žico sem nekajkrat ovil okoli baterije 18650 in jo nato razrezal na več obročev. (Preden spajkate konce obročev, se prepričajte, da so obroči ploski.) Obroč sem poravnal s ploskim kvadratom in spajkal rebra. To sem ponovil na drugi strani, da sem oblikoval majhno cevasto strukturo. To postane glavni del satelita.
Če imate težave pri spajkanju na baker, ga predhodno poskusite polirati z jekleno volno, da odstranite morebitno oksidacijo površine. Na spoj nanesite zadostno količino fluksa, da se spajka dobro navlaži. Spajkalnik nastavim na približno 380 °C. Baker je zelo dober prevodnik toplote, zato morate biti pri spajkanju hitri, sicer se bodo sosednji spoji začeli taliti.
Preizkusil sem nekaj razporeditev sončnih celic in se na koncu odločil za možnost B. Odločil sem se, da ne bom dodajal dodatnih okvirjev okoli sončnih celic, da bo izgled bolj čist. Lahko poskusite eno od drugih možnosti ali pa nekaj povsem drugačnega!
Hitri preizkus delovanja, preden sem nadaljeval s spajkanjem sončnih celic in superkondenzatorja.
Okoli pozitivnega pola superkondenzatorja sem dodal toplotno skrčljivo božirko, da bi preprečil možnost naključnega kratkega stika med spajkanjem. Dodal sem tudi 0,1 uF blokirni kondenzator (rumena komponenta na fotografiji) med pozitivnim polom sončnega panela in GND za dodatno strukturno podporo.
Viri:
1: https://www.bhoite.com/sculptures/satellite-2202/
2: https://wiki.seeedstudio.com/XIAO_BLE/
3: https://www.particle.io/
4: https://www.digikey.com/en/products/detail/eaton-electronics-division/HSL1020-3R8506-R/12179232
- https://www.digikey.com/en/products/detail/anysolar-ltd/SM141K04LV/9990461
6: https://www.ebay.com/itm/284843842249
7: https://amzn.to/3ROGlnI
8: https://e-peas.com/product/aem10941/
9: https://www.st.com/en/power-management/spv1050.html
10: https://learn.adafruit.com/introducing-the-adafruit-nrf52840-feather/advertising-beacon
11: https://github.com/mohitbhoite/ble-satellite/tree/main
12: https://wiki.seeedstudio.com/XIAO_BLE/#software-setup
13: https://www.bhoite.com/wp-content/uploads/2023/01/satellite-xiao-ble.pdf
Povzeto po:
https://bhoite.com/sculptures/ble-satellite
