Solar Node (Autarker Meshtastic Knoten)

Ein Solar Node (Autarker Verteilerknoten),

ist wie der Name schon sagt, ein Node welches Mit Sonnenenergie angetrieben wird.

Das Solar Node sollte möglichst Autark funktionieren, damit es keine Externe Hilfsspannung benötigt.

Der Grund ist, Solar Nodes sind in den meisten Fällen an unerreichbaren Stellen angebracht.

Das könnte zb. an einem schlecht erreichbaren Punkt auf dem eigenen Hausdach sein aber auch und das wird der häufigste Grund sein.

Das Node wird als Verteilerknoten genutzt, Verteilerknoten sind Nodes, die möglichst optimale Standorte haben, die sehr Hoch liegen und eine freie Sicht haben.

Das Node dient quasi als Brücke zwischen Dir und den Nodes Anderer, um Hürden, wie Gebäude, Bäume, Berge, etc. zu überwinden.

Da diese Nodes meistens keinerlei Möglichkeiten besitzen, an eine Festspannung angeschlossen zu werden und um bei Stromausfall , die Ausfallsicherheit des Meshes zu Gewährleisten, ist es Absolut Notwendig die Technik aufeinander abzustimmen.

SolarNode1

SolarNode Testaufbau von An3das

Community Node

Community Node mit diversen Erweiterungen

Einige Beispiele für Solar Nodes

Welche Situationen können den Ausfall des Nodes noch beeinflussen?

- Die Verschattung durch Wolken, ein Trüber Tag und die Dunklen Tage im Winter.

- Schnee auf dem Solarpanel.

- Ein plötzlicher Anstieg des Traffics.

- Ausfall durch eintretende Feuchtigkeit, mangels ungenügender Abdichtung des Gehäuses.

- Hitze im Inneren Des Gehäuses (plötzlicher Hitzetod der Elektronik).

Wie gehen Wir also vor?

Als erstes kümmern Wir uns um die Technik.

Die sollte möglichst Stromsparend sein, das schließt also schonmal Stromhungrige Boards mit ESP32 Chipsatz aus.

Der NRF52840 von Nordic Semiconductor entwickelte Chipsatz ist hier also unsere 1. Wahl.

Der NRF52840 (kurz NRF52) ist auf Boards zu finden, wie dem RAK4631 von Rakwireless oder dem T114v2 von Heltec.

Auch der Xiao von Seeed Studio ist jetzt erhältlich mit einem NRF52840.

Warum NRF52?

Weil er zb. wie auf dem RAK4631 im Ruhemodus ca. 9mAh und im Sende/Empfangs-Modus ca. bis zu 20mAh benötigt.

Ein ESP32 basiertes Board nimmt gerne mal ca. 100 - 130 mAh, das ist für ein Autarkes Solar Node ungeeignet. Natürlich könnt ihr auch die Akku-Größe anpassen und ein dementsprechend großes Solarpanel benutzen mit 12 oder 24 Volt und gute 50 Watt oder mehr.

Damit könnt ihr dann auch ESP32 Boards betreiben.

Die NRF52 Boards haben auch in der Vergangenheit gezeigt, das Sie sehr Stabil und ohne Ausfälle laufen.

Als Beispiel nehmen wir jetzt hier den RAK4631, Rakwireless baut seine Boards Modular auf, der RAK4631 ist das Kernmodul.

Wir benötigen aber noch das Basisboard, da haben wir mehrere zur Auswahl, beschränken uns aber auf die beiden gängigsten, dem RAK19007 und dem RAK 19003.

Das RAK19003 ist das kleinste und reicht für Unsere Zwecke erst einmal.

Was benötigen wir Noch?

Theoretisch und so findet Ihr Die Informationen meistens im Internet, nur noch ein kleines Solarpanel und einen Lipo Akku und steckt diese direkt an das Board, mittels der JST-Stecker.....Fertig!

Jetzt das ganze noch in eine Butterbrotdose packen, das Solarpanel mit Klebeband befästigen und in die Wildnis schmeißen....

Nein, Wir machen es ja richtig_.....

Doppel-Solarpanel

Ihr braucht also noch:

- Akku mit Akkufach

- Solarpanel

- Laderegler

- Aderleitungen (Litze)

- Strom- und Leistungssensor (Optional)

Ihr benötigt als erstes einen Akku, die Meshtastic Boards benötigen eine Spannung zwischen 3,7 und 4,2 Volt.

Perfekt hierfür sind geschützte (PCB - Protected) Li-Ion Industriezellen. Ich empfehle 26650er Zellen, 18650 oder andere sind aber auch möglich.

Li-Ion Industriezellen haben den Vorteil gegenüber Lipo Packs, das Sie nicht so empfindlich gegenüber mechanischen einwirkungen sind und niedrige Temperaturen etwas besser aushalten.

Die Akkuspannung ist Perfekt für die Meshtastic Boards und Ihr könnt Sie direkt verwenden ohne die Spannung nach oben oder unten zu wandeln.

Wem das nicht reicht, kann einen Exotischen LTO Aufbau machen. LTO Akkus sind absolut Wiederstandsfähig gegen Temperaturen und Mechanische Einwirkungen, Ihr Lebenszyklus ist deutlich höher als von Lithium Akkus aber der Aufbau ist auch deutlich teurer.

Ich empfehle für euren Aufbau ein Minimum von 5000 bis 6000mAh, ihr könnt die Akkus auch Parallel anschließen, damit verdoppelt sich die Kapazität.

entweder die Akkus werden punkt geschweißt oder und das ist die einfachere Lösung, ihr benutzt ein Akkufach.

Das Solarpanel wählt ihr je nachdem, welchen Laderegler Ihr kauft. das RAK Board und auch alle anderen haben einen Solar-Eingang, dieser verträgt maximal 5 Volt.

Leider ist er nicht sehr Effizient, weil der Eingang eigentlich nur ein Strom- bzw. Spannungsbegrenzer ist. Es ist als keine Effiziente Laderegelung vorhanden.

Da die Solarpanels aber teilweise mehrfach am Tag unterschiedlich verschattet werden. Geht euch viel Energie verloren.

Empfehlen kann ich 3 Laderegler:

- Den DF Robot Solar Power Manager Micro für 0.5 bis 4 Volt Panels.

- Den DF Robot Solar Power Manager 5V für 5 Volt (Favorit)

- Den Waveshare Solar Power Manager Module (D) für große Panels über 5 bis 24 Volt Panels.

Aufbau der Elektronik:

Wie in der Skizze zu sehen, verbindet Ihr das Solarpanel mit dem Laderegler.

Schaltung für ein Solar Node, Basierend auf dem Community Node. (RAK4631, RAK19003, DF Robot Solar Manager 5V, Solarpanel 5V 5W

Den Akku und den Akku Anschluss des Meshtastic Boards verbindet ihr direkt mit dem Akkuanschluss des Ladereglers.

Die Akkus solltet ihr vorher vorladen und bitte achtet bei alles Schritten auf die richtige Polung!

Optional* könnt Ihr den INA219 (Strom- und Leistungssensor) anschließen, ebenfalls wie in der Skizze.

Damit könnt Ihr in der Meshtastic App beobachten ob das Solarpanel arbeitet, der INA219 gehört zu den Sensoren und ist hier näher beschrieben.

Die Kabel zum Löten wählt ihr möglichst in ca. 0,5 mm Querschnitt.

Sehr wichtig ist auch das Ihr eure Solar Nodes gut abdichtet, um Feuchtigkeit im Innenraum zu vermeiden.

Vorzugsweiße nehmt Ihr dafür Sikaflex.

Da Wir schon sehr viel Experimentiert haben, kann ich Euch nur das Community-Node ans Herz legen.

Die Technischen Komponenten sind auf einander abgestimmt und es gibt ein passendes Gehäuse optional dazu.

Alle Bauteile finden dort ihr vorbereiteten Platz. der Arbeitsaufwand sinkt Stark.

Das Community Node:

• Das Community Node
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Das Community Node wurde von Mesh Hessen entworfen und wird ständig weiter entwickelt.

Community Node

Der oben vorgeführte Grundaufbau der Elektronischen Komponenten wurde von Manuel Lausmann entwickelt.

Speziell für diese Elektronik wurde eine Gehäuse von An3das unserem 3D Druck Experten entworfen,

in welches alle Bauteile perfekt hinein passen.

Ihr könnt Das Gehäuse bei An3das HIER bestellen oder schreibt Ihn direkt in Telegram an.

Das Gehäuse gibt es mit Diversen Addons.

- Gehäuse Verlängerung

- Sensor Gehäuse

- Windturbinen Aufnahme

- zusätzliche Akkufächer

- Doppel-Solar Platte

- Adapter von RAK19003 auf RAK19007 Aufnahme

Hier auch nochmal eine Teileliste was ihr benötigt:

- WisBlock Mini Base Board (RAK19003)

- Module for LoRaWAN with LoRa SX1262 (RAK4631) (Achtung: Frequency = EU868 und Variant = RAK4631 Arduino)

- Solarmodul 5W 5V (0 - 6 Volt) (Größe: 208 x 140 mm) - Ihr könnt auch etwas vergleichbares auf Aliexpress, etc. bestellen.

- INA219 I2C Bidirektionaler Gleichstrom-Stromversorgungssensor

- Antennenanschluss IPEX zu N Typ Buchse (zum entkoppeln der Antenne vom Gehäuse, 50 cm Ecoflex 10 Kabel)

- Antenne Variante 1 (kurz und gut) - Leider oft vergriffen, so wie die original Alfa 868 5dBi

- Antenne Variante 2 (lang und besser)

- DFRobot Solar Power Manager - Solarenergie-Managementmodul – 5V

- Akku Keeppower 26650 - 5500mAh, 3,6V - 3,7V Li-Ion-Akku PCB geschützt

Für den Zusammenbau benötigt ihr nur: Einen Lötkolben, Schraubendreher-Satz, Abisolier-Werkzeug, Selbstverschweißendes Isolierband und Sikaflex.

Wer möchte kann auch noch Silicagel-Päckchen ins Gehäuse legen, gegen die Feuchtigkeit (zu empfehlen) und ein Druckausgleichs-Ventil installieren.

Für diejenigen, die es etwas dezenter möchten, ist das Low-Budget Node vielleicht die richtige Wahl.

Es ist ähnlich aufgebaut aber etwas Schmaler und besitzt ein SMA Anschluss für kleinere Antennen.

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  Low Budget Node front
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  Low Budget Node hinten

LTO Solar Node (Exotisch/Exklusiv):

Ein LTO (Lithium-Titanium-Oxide) Akku betriebenes Node ist für raue klimatische Umgebungen die erste Wahl.

Da der LTO Akku in Temperaturbereichen von -50 bis +65 Grad ge- und entladen werden kann ohne Schaden zunehmen.

LTO-Batterien bieten schnellere Ladezeiten, eine längere Lebensdauer und mehr Sicherheit, haben aber im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien eine geringere Energiedichte.

Zudem haben sie ein Spannungsbereich von 2.3V bis 2,8V, was für unsere kleinen Mikrocontroller leider nicht ausreichen ist.

Für ein RAK4631 ist eine Mindestspannung von 3,3V vorgesehen. Dies bedeutet das im Solarbetrieb ein Laderegler nötig ist der maximal 2.8V Spannung erzeugt.

Zudem ist am Load Output ein Upconverter nötig der die erforderliche Betriebsspannung im Beispiel vom RAK4631 auf 3.3V anhebt.

All diese Eigenschaften vereint der speziellen Laderegler von Keith Monaghan. Dieser ist käuflich auf der Etsy Seite VoltaicEnclosures zu erwerben.

Darüber hinaus bietet dieser sogar noch ein eingebauten INA3221 Sensor.

Da dieser Regler Multichemie fähig ist kann er auch für andere Spannungsbereiche eingesetzt werden.

Wer möchte und auch ein wenig Erfahrung mit Elektronik hat, kann sein Node weiter anpassen, um einen Schalter, Sensoren oder Relais.

dabei solltet Ihr aber immer den Stromverbauch im Auge behalten und Solar Node, dementsprechend anpassen.

Ich wünsche Euch viel Spaß beim Basteln.

"Sei auch Du ein Pionier, baue Nodes und stell Sie auf!"

Der Autor/Ersteller übernimmt keine Haftung auf Vollständigkeit und Richtigkeit des erstellten Artikels. Sie sind selber für ihr handeln verantwortlich. Keine Haftung für Sach-oder Menschenschäden.