Autonomous power supply at the apiary

By | 28. June 2018

Normally there is no power supply at the apiary, therefore this article is dedicated to the autonomous power supply of the Raspberry Pis (RPi). The Raspberry Pi 3 B needs 5.1V and 3A as optimal input voltage. Compared to other boards like the Arduino or the ESP8266 this is a lot. Nevertheless such a power supply can be realized. With the RPi Zero W only 160mA is consumed. Thus a battery with the Zero W lasts twice as long as with the RPi 3 B.

If a Surfstick is connected, the power consumption increases additionally (if the transmission of the measurement data takes place via mobile cell radio).

Battery

In my case, I had an old 12V car battery at home. You can also use lead batteries instead of lithium batteries. It is to be paid attention that the battery has as a large “Ah” value as possible. Optimal would be a capacity of at least 70Ah.

To supply the Raspberry Pi with power a 12 Euro expensive “DC-DC-Buck Converter” is used, which has two USB ports.

Charging with solar module

To charge the battery automatically I have mounted a 25 Watt solar panel on my beehive. This costs between 47 and 58 Euro on Amazon and already includes a 3A charge controller.

Power bottleneck during the winter months

A visitor has now provided us with the following diagram showing the voltage curve of his battery. During the winter months the Raspberry Zero could run out of power if the sun is not shining enough. Red is the moment when the externally charged battery is reconnected. Blue, was as a temporary solution a motorcycle battery. This is of course much smaller and does not last that long. But it still works at low voltages.

The graphic comes from a “Raspberry Pi Camera” project. Our Raspberry Pi runs the Raspbian operating system. Thus, components like a camera can be additionally connected and supported by software.

During the winter a battery does not deliver full power and the number of hours of sunshine is lower. Therefore, the battery (depending on capacity) must be charged manually every few days.

Calculate battery operating time

This tool can be used to calculate the battery operating time: Battery Operating time Calculator

Idea: Solar fence systems

Possibly, 12V lithium batteries available for electric fence use can be ordered together as a solar system.

Addendum: Time and energy management

If you don’t want a large battery or a large solar panel, you can also connect the Witty Pi Mini module to save energy. You can find out everything about this additional (optional) module in this article. This means you have enough battery even in the winter months. This module can still be bought afterwards.

Translated 28.07.2019 by JK

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12 thoughts on “Autonomous power supply at the apiary

  1. Oliver Alff

    Also, ich muss ja sagen, das Projekt gefällt mir sehr gut. Ich werde mal anfangen das ganze auf ESP32/NodeMCU zu portieren. Damit sollte die ganze Sache sehr sehr stromsparend werden :).

    Reply
    1. Javan Post author

      Hallo Oliver,

      das habe ich auch schon angedacht. Die Portierung würde ich gerne der Organisation hinzufügen: https://github.com/Honey-Pi Weitere Details können wir gerne per Mail besprechen.

      Viele Grüße
      Javan

      Reply
  2. Christoph Pauli

    Hallo zusammen
    Zuerste mal ein grosses Lob an das HoneyPi-Team für die supertolle Lösung! Gerne werde ich euch einen Betrag spenden oder die Premium Version der App kaufen.
    Ich habe seit einigen Tagen einen Raspi in meinem Bienenhaus, welches mitten im Nirgendwo steht. Strom generiere ich über eine kleine PV-Anlage, für das Internet habe ich einen alten Mobile Hotspot angeschlossen. Leider verbraucht die Lösung zu viel Strom und ich muss Strom sparen. Der Raspi alleine würde ich hinkriegen, aber den Mobile Hotspot kann ich leider nicht die ganze Zeit laufen lassen.
    Frage an euch – wenn ich den Surfstick anschliesse und den Raspi mit dem WittyPi ergänze, ist dann der Surfstick auch nicht aktiv, wenn der Raspi “schläft”? -> d.h. die Lösung braucht beinahe keinen Strom?
    Wenn ja, so könnte ich den Raspi 1x pro Stunde hochfahren, er sendet die Daten in die Cloud und ich kriege das Energiemanagement in den Griff 🙂
    Alternativ wäre der Anschluss eines Relais an einem freien GPIO-Port und ich starte und stoppe den Mobile Hotspot. Ich weiss aber nicht, sich der Raspi von selber mit dem WLAN verbindet, wenn dieses zur Verfügung steht.
    Sehr cool wäre eine Erweiterung der Firmware, dass der Raspi die Daten offline speichert und man zum Zeitpunkt X die Daten in die Cloud hochladen kann. So könnte ich den ganzen Tag die Daten speichern und 1 x pro Tag hochladen.

    Mit Imker und Elektronikergrüssen
    Christoph

    Reply
    1. Javan Post author

      Die neuste Firmwareversion hat bereits diese Offline Messdaten funktion. Du kannst die Daten dann gesammelt herunterladen und in ThingSpeak manuell importieren.

      Ja wenn du den Surfstick über ein Adapter Kabel an den Raspberry Pi anschließt bekommt der Surfstick nur dann Strom wenn der Raspi an ist. Also optimal für das was du vor hast ohne Umwege.

      Reply
  3. Johannes

    Nachtrag zu meinem vorherigen Kommentar: Ich habe ein paar dieser Spannungssensoren herumliegen, kann Die gerne einen oder zwei per Post schicken 🙂

    Reply
  4. Johannes

    Hallo Javan,

    so langsam trudeln die einzelnen Bauteile aus China bei mir ein, so dass ich den Laboraufbau nach und nach auf dem Schreibtisch vervollständigen kann. Das ist ein tolles Projekt und macht richtig Spaß. Danke dass Du / Ihr das zur Verügung stellt 🙂

    Ich plane auch eine autarke Solarstromversorgung. Dabei würde ich mir wünschen, auch die Spannung des Akkus über Thingspeak sehen zu können. Wenn ich es richtig verstanden habe ist eine solche Funktion bisher nicht vorgesehen.

    Wäre es denn mit vertretbarem Programmieraufwand möglich, einen analogen Spanungssensor (z.B. https://www.ebay.de/itm/10pcs-Voltage-Sensor-For-Arduino-Raspberry-Pi-Voltage-Detector-Module-Max-25V/253882295343?hash=item3b1c90642f:g:~I8AAOSwQ~hbmcw3) in die Firmware zu integrieren, so dass dieser als fünfter Sensortyp konfiguriert werden kann?

    Cool fände ich wenn bei kritischer Unterspannung eine Push-Nachricht versendet würde, aber das würde dann ja vermutlich analog zu dem “Schwarmalarm” funktionieren. So weit bin ich aber gerade noch nicht.

    Interessant wäre evtl. auch eine batteriespannungsabhängige Notabschaltung, um eine Tiefentladung zu verhindern. Ein vernünftiger Solarlader beinhaltet diese Funktion allerdings auch.

    Reply
    1. Javan Post author

      Hallo Johannes,

      ich würde das demnächst gerne umsetzen.
      Das Bauteil als zusätzlichen Sensor hinzuzufügen ist kein Problem.
      Gerne kann auch jemand anderes einen PR dafür schreiben: https://github.com/Honey-Pi/rpi-scripts

      Viele Grüße
      Javan

      Reply
  5. Sven

    Hallo Javan,
    ich bin dabei, die Solarvariante zu planen.
    Es wäre doch schön, einfach eine Powerbank als Akku zu nehmen. Die ist war relativ gering im Ladevolumen, sollte aber vielleicht schon reichen. Würde der Anschluss mit einer 2. DC-DC Buck funktionieren oder was müsste man zwischen dem Controller vom Solarpannel und der Powerbank verschalten?
    Danke für eure Hilfe
    Liebe Grüße
    Sven

    Reply
    1. Javan Post author

      Hallo Sven, Powerbank könnte knapp werden aber mit dem Witty Pi Mini möglich.
      Wie viel Volt dein Solarpanel liefert und mit was deine Powerbank geladen wird musst du selbst schauen.
      Der Raspi Zero kann direkt an die USB-Buche einer Powerbank ohne einen zusätzlichen DC-DC-Buck.

      Reply
  6. Stephan

    Hallo,
    ich mache mir gerade ein paar Gedanken über die autarke Stromversorgung am Bienenstand (Solarmodul mit Laderegler und Batterie).
    Schließlich sollte die korrekte Dimensionierung ermöglichen, dass nicht alle paar Tage die Batterie am Netz nachgeladen werden muss. Etliche Imker hätten da ein Problem, da meist kein 230V Netzanschluss am Bienenstand vorhanden ist.

    Ich habe mal etwas recherchiert und folgenden Leistungsangaben des Pi 3B+ gefunden:
    Idle Mode: 7,6W
    Sysbench Power Consumption (3 repeats, 4 threads): 14,0 W

    Mit 5V Bordspannung wären das 14W / 5V = 2.8A, also ca. 3A , das macht das rechnen einfacher.
    Eine ganze Menge, wie ich finde !
    Im “worst case” hieße das, eine Batterie müsste eine Kapazität (eigentlich Ladung) von 24h x 3A = 72Ah bereitstellen, damit das Board einen Tag unter Volldampf laufen kann.

    Zum Nachladen der Batterie empfiehlt sich ein Solarmodul, wie es sie für den Garten-, Camping- und Outdoor-Bereich gibt.
    Hier betrachte ich das Solarmodul WS20M vom Anbieter Wattstunde.
    https://www.wattstunde.de/files/wattstunde/Datenblatt/Technische%20Daten/WS-M%20Modulreihe.pdf

    Das WS20M ist ein 20W-Modul mit einem angegebenen mittleren Tagesertrag von 80Wh, was zum zuvor errechneten Bedarf von 72h passen dürfte.

    Noch ein Wort zur Batterie. Natürlich kann man eine alte Autobatterie hernehmen um die Kosten einer Neuanschaffung zu umgehen. Allerdings sind Autobatterien sogenannte Starterbatterien, ausgelegt für einen sehr hohen Peak-Strom. Das ist nicht nötig in unserem Fall, wir benötigen eine Technologie für möglichst hohe Kapazität und moderate Entladeströme. Das sind dann die sogenannten Solarbatterien für Backup-Systeme (USV) oder Inselnetze.
    Solche Batterien gibt es im Fachhandel, eine 100Ah Blei-Säure Solarbatterie (Nassbatterie) kostet ca. 100 EUR, wartungsfreie Blei-Gel Batterien sind teurer.

    Der Stromverbrauch des Raspberry Pi 3B+ ist doch recht hoch, ist es möglich den Controller, in Zeiten wo keine Messwerte gesammelt werden müssten (z.B. Nachts) , in einen Stromsparmodus zu schicken ?
    Ich komme aus der 8/16/32Bit Microcontroller-Welt und da ist das gar kein Thema. Man versetzt die MCU in einen Stromsparmodus und weckt sie zyklisch über einen Timer-Interupt wieder auf.
    Auch könnte ich mir vorstellen den Controller über Nacht abzuschalten (Helligkeits- oder Uhrzeitgesteuert), und nur alle 10 Minuten kurz aufzuwecken zwecks Diebsstahlüberwachung.
    Solche Features könnten den mittleren Leistungsbedarf erheblich senken und eine kostengünstigere Auslegung der Stromversorgung ermöglichen.

    Vielleicht habt ihr diese Funktionen bereits implementiert, lasst mal hören was ihr davon haltet 😉

    Viele Grüße

    Reply
    1. Javan Post author

      Hallo Stephan,

      vielen Dank für deinen Kommentar und entschuldige unsere späte Antwort!

      Da wir HoneyPi bisher nur unter “Labor-Bedingungen” getestet haben, hat sich das für uns noch nicht so ergeben. Bisher läuft HoneyPi bei uns auf dem Raspberry Pi 3 (also ohne Plus), der braucht etwas weniger mA als der 3B+.

      Aber für den langfristigen Outdoor-Betrieb werden wir unsere Firmware im Laufe der Woche auf dem Raspberry Pi Zero W testen. Der ist genau dafür gemacht, günstiger und es sollte damit auch wunderbar funktionieren.

      Danke für den Hinweis mit der Batterie, ich werde das in der Einkaufsliste ergänzen. Ich hatte zu Hause einfach zufällig eine Autobatterie übrig.

      Wir hoffen noch mehr von dir zu lesen.

      Viele Grüße
      Javan

      Reply
    2. Alexander

      Hallo Stefan, eine Blei Gel Batterie mit einem 20W Modul ist sicherlich die elegantere Lösung. Preislich deutlich günstiger ist sicherlich aber das 50W Modul (42€) mit einer alten Autobatterie. Durch das größere Modul wird die Batterie so gut wie nicht entladen und hält auch sehr lange (bei mir schon fast ein halbes Jahr) und auch wenn Sie kaputt geht kostet eine neue gebauchte beim Schrotthändler igendwo zw. 10 und 20€…

      Reply

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