Solar Node (Autarker Meshtastic Knoten)
Eine Solar Node (Autarker Verteilerknoten),
ist wie der Name schon sagt, eine Node welche mit Sonnenenergie angetrieben wird.
Die 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.
Die Solar Node wird als Verteilerknoten genutzt, Verteilerknoten sind Nodes die möglichst optimale Standorte haben, die sehr Hoch liegen und eine freie Sicht besitzen.
Die 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.
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Einfaches Solar Node -
Community Node Standard -
Community Node m. Erweiterung -
Low Budget Node im Testaufbau -
Solar Vogelhaus Node
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.
Für das Verständnis, wenn ich von Funkmodulen spreche, meine ich einfachheitshalber das komplette Board, auf das eigentlich verbaute Funkmodul gehe ich nicht drauf ein.
Ich unterscheide nur zwischen den Chipsätzen.
Die sollte möglichst Stromsparend sein, das schließt also schonmal Stromhungrige Funkmodule mit ESP32 Chipsatz aus.
Der NRF52840 von Nordic Semiconductor entwickelte Chipsatz ist hier also unsere 1. Wahl.
Der NRF52840 (kurz NRF52) ist auf Funkmodulen 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. 9 - 20 mAh und im Sende/Empfangs-Modus ca. 20 - 40 mAh benötigt.
Ein ESP32 basiertes Funkmodul nimmt gerne mal ca. 100 - 140 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 Funkmodule betreiben.
Die NRF52 Funkmodule 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.....
Ihr braucht also noch:
- Akku mit Akkufach
- Solarpanel
- Laderegler
- Aderleitungen (Litze)
- Strom- und Leistungssensor (Optional)
Ihr benötigt als erstes einen Akku, das Funkmodul 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 Funkmodul 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. (Das gilt für alle Laderegler)
Den Akku und den Akku Anschluss des Funkmoduls 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.
Was Ihr beim zusammenbau beachten müsst:
Sehr wichtig ist das Ihr eure Solar Nodes gut abdichtet, um Feuchtigkeit im Innenraum zu vermeiden.
Vorzugsweiße nehmt Ihr dafür SIKAFLEX 554.
- Eure Nodes werden schweren Wetterbedingungen ausgesetzt sein, unter anderem Wind, Regen, Sonne(UV) und Temperaturschwankungen.
verklebt also alles sehr sorgsam damit der Wind nichts abreißen kann und die Node gut gegen wasser geschützt ist.
Die Antennen-Stecker auf dem Gehäuse solltet ihr auch akribisch mit Sikaflex abdichten und nach Montage der Antenne alles mit selbstverschweißendem Isolierband abkleben.
Es darf absolut keine Feuchtigkeit ins Gehäuse kommen, das schadet eurer Elektronik.
- Ein Weiteres Problem mit Solar Nodes ist die Temperatur im inneren des Gehäuses.
Durch die Sonneneinstrahlung erhitzt sich das Gehäuse und die Elektronik nimmt ab einer gewissen Temperatur schaden.
Das erst was Ihr machen könnt ist, die Node so zu konstruieren, das dass Gehäuse hinter den Solarpanels sitzt.
Eine weitere Möglichkeit wäre, jeweils ein Temperaturschalter mit Öffner bei 55 Grad Celsius zwischen Solarpanel und Laderegler und zwischen Akku und Node zu Installieren.
Beim Überschreiten der Temperatur, öffnen die Schalter und die Node ist komplett Inaktiv.
- Damit eurem Node nicht die Energie ausgeht, wählt die Akku Kapazität entsprechend groß und Installiert dementsprechend auch Solarpanels.
Die meisten werden das nicht ausrechnen.
Wir haben eine Faustregel für unsere Community Schaltung:
- Solar Node für zuhause = 1x5 Volt Panel und 1x26650 Akku mit 6000 mAh.
- Solar Node als Verteilerknoten = doppelte Anzahl Panels und Akku.
Wichtig ist auch das Ihr eure Solar Nodes in richtung Süden ausrichtet und möglichst 30 - 35 Grad Neigung einhaltet.
Die Neigung hilft auch im Winter dabei, das der Schnee schneller vom Solarpanel rutscht.
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.
Die Community Node:
- Die Community Node
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Die Community Node wurde von Mesh Hessen entworfen und wird ständig weiter entwickelt.
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)
- 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 optional: (zum entkoppeln der Antenne vom Gehäuse, ein 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 die 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 -
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.
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Das Fertig Paket
Wer Absolut kein Handwerkliches Geschick besitzt oder sich einfach nicht daran traut,
für den ist vielleicht die Fertige Solar Node von RAKwireless etwas.
Der WisMesh Repeater ist ein Fertig Gerät, welches Ihr nur noch auspacken müsst und am Mast befästigt.
Meshtastic ist vorinstalliert.
Es kommt mit Akku, Solarpanel und der kompletten Elektronik die Ihr braucht um einen Verteilerknoten in Betrieb zu nehmen.
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 die Solar Node, dementsprechend anpassen.
Ich wünsche Euch viel Spaß beim Basteln.
"Sei auch Du ein Pionier, baue Nodes und stell Sie auf!"
Autor: Daniel Wegstroth
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.