Feinstaubsensor – Teil 6: Stromversorgung

Erst mal ist die Stromversorgung des Eigenbau-Feinstaubsensors ganz einfach. Die beiden Sensoren SDS011 (Feinstaub) und DHT22 (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) werden vom NodeMCU-Board aus mit Strom versorgt. Und das NodeMCU-Board hat einen Mikro-USB-Anschluss, so dass man ein normales Smartphone Ladegerät oder Raspberry Pi Netzteil verwenden kann. Das original Stuttgarter Feinstaubprojekt nimmt ein 2m langes USB-Flachbandkabel zwischen Netzteil und NodeMCU. Das sollte auch für alle Anwendungsfälle passen, bei denen der Feinstaubsensor nahe am Fenster angebracht ist. Aber was machen diejenigen, die größere Entfernungen von der Steckdose zum Feinstaubsensor überbrücken müssen? Hier eine Lösung.

Ich verweise hier wieder auf die originale Anleitung des Stuttgarter Feinstaub Projekts, die man in jedem Fall gelesen haben sollte, wenn man sich an den Eigenbau eines Feinstaubsensors machen will.

Wo liegt das Problem bei langen Leitungen?

5V lassen sich schon über 2m übertragen und vermutlich wird es auch bei 5m Kabellänge noch keine Probleme geben. Aber prinzipiell schlagen bei zunehmender Leitungslänge, kleinen Leitungsquerschnitten und geringer Spannung recht bald nennenswerte Leitungsverluste zu Buche. Ich habe dieses Thema schon einmal für die Stromversorgung eines Raspberry Pi näher betrachtet und ein paar Beispielrechnungen bei verschiedenen Leitungsquerschnitten angestellt. Dass etwas Energie im Kabel in Form von Wärme verloren geht, das wäre zu verschmerzen, das eigentliche Problem bei Leitungsverlusten liegt wo anders. Wenn wir vorne genau 5V einspeisen und ein Teil der Spannung auf den Leitungswiderstand abfällt, dann werden hinten keine 5V mehr ankommen, sondern etwas weniger. Allerdings ist das beim Raspberry Pi ein größeres Problem, als beim Feinstaubsensor. Das liegt daran, dass der Raspi schon mal mehr Strom zieht als ein NodeMCU-Board und über dies sehr empfindlich auf Niederspannung reagiert. Unser Feinstaubsensor ist da gutmütiger, trotzdem lässt sich die Physik nicht aufheben.

Denkbare Ansätze

230V Außensteckdose?

Im überdachten Bereich (Balkon, Carport) ist es natürlich am einfachsten, wenn man die 230V-Zuleitung entsprechend verlängert. Im Freien, in Bereichen, die bei Regen nass werden, würde ich mich so etwas aber nicht trauen. 230V in Kombination mit Wasser ist viel zu gefährlich.

Batteriebetrieb?

Da stellt sich erst einmal die Frage nach dem Verbrauch. Der ist für einen Mikrocontroller relativ hoch. Das liegt einmal am WLAN und natürlich am SDS011 (Feinstaubsensor) selbst. Auf den Seiten des Stuttgarter Feinstaub Projekts hab ich gelesen, der komplette Sensor würde in etwa 1W verkonsumieren. Das scheint mir recht großzügig gerechnet, bei meinen Messungen komme ich auf ca. 600mW während einer Feinstaubmessung und guten 300mW in der Ruhephase. Je nachdem, wie dick man die Powerbank bemisst, könnte man schon ein paar Tage mit einer Ladung überbrücken. Über einen Sommer, geschweige denn über ein ganzes Jahr kommt man damit aber nicht. Und wer will schon alle paar Tage den Akku wechseln, abgesehen davon, dass man für einen kontinuierlichen Betrieb mindestens 2 Akkus bräuchte.

Solarbetrieb?

Das funktioniert vom Prinzip her sicherlich. Ein Solarpanel lädt einen Akku, der seinerseits den Feinstaubsensor in sonnenlosen Zeiten, also nachts und bei schlechtem Wetter speist. Man könnte direkt 5V Komponenten, die zur Handyladung gedacht sind, verwenden. Dann muss man allerdings darauf achten, dass der Akku gleichzeitig Ladung aufnehmen und abgeben können muss, was bei einfachen Powerbanks oft nicht der Fall ist. Denkbar wären auch 12V-Systeme mit Laderegler und einer Spannungskonvertierung auf 5V. Allen Solarlösungen gemein ist, dass sie vermutlich mehr kosten, als der restliche Feinstaubsensor zusammen und damit ist das nur eine Lösung für Standorte, wo es gar nicht anders geht.

Und was wäre die Lösung?

Wir bleiben beim Niedervoltkabel und eigentlich ist es banal. Wenn hinten 5V ankommen müssen und unterwegs auf der Leitung Verluste auftreten, dann muss man halt vorne mehr reinstecken. Das heißt die Spannung am Eingang muss zumindest um den Spannungsabfall auf der Leitung höher sein als 5V. Und damit scheidet ein einfaches 5V Konstantspannungsnetzteil aus.

Notebooknetzteil und Schaltreglermodul LM2596S

Es gibt natürlich keine 5,2V Netzteile fertig zu kaufen, so dass man das etwas schlauer lösen muss. Es wird eine höhere Spannung zur Übertragung verwendet und erst im Gehäuse des Feinstaubsensors (also in den beiden Abwasserbögen) erfolgt eine Spannungskonvertierung auf die benötigten 5V. Wir verwenden also kein 5V Netzteil, sondern ein typisches Notebooknetzteil mit 19V. Das ist ebenfalls billig zu erwerben oder liegt sowieso noch ungenutzt in der Schublade.

Dann brauchen wir nur noch einen Spannungsregler, der die 19V auf 5V konvertiert. Das erledigt ein LM2596S Step-Down-Schaltregler, der für wenige Euro zu haben ist. Diesen Schaltregler hatte ich bereits einmal in einem Artikel für den Raspberry Pi beschrieben. Er verträgt am Eingang bis zu 35V und lässt sich auf eine Ausgangsspannung zwischen 1,23V und 30V einstellen, wobei am Eingang eine höhere Spannung anliegen muss, als am Ausgang abgegriffen werden soll. Nachdem dieses Reglermodul locker einen Raspberry Pi zieht, ist unser Feinstaubsensor erst recht kein Problem.

Abgleich

Der Spannungsregler muss von Hand einmalig auf die richtige Ausgangsspannung von 5V eingestellt werden. Und das unbedingt ohne angeschlossenes NodeMCU-Board. Bei allen Spannungsreglermodulen, die mir in die Hände gekommen sind, war werksseitig eine sehr hohe Ausgangsspannung eingestellt, die den Mikrocontroller zerstören würde. Also legen wir die 19V des Notebooknetzteil an den Eingang und messen die Spannung am Ausgang mit einem Voltmeter. An der Stellschraube lassen sich dann 5V einstellen.Für den Feinabgleich lässt sich anstelle eines Multimeters auch ein USB-Spannungsmesser wie auf dem Bild verwenden.

Einbau

Leider müssen wir für diesen Spannungsregler zum Lötkolben greifen und an Ein- und Ausgang kurze Anschlussdrähte anlöten. Am Eingang können wir mit Klemmen das Zuleitungskabel anschließen und auf der Ausgangsseite löten wir einen Micro-USB-Stecker an, der dann direkt ins NodeMCU-Board gesteckt wird. (Anschlussbild für den Stecker – siehe rechts.)

Mit dem Spannungsregler kommt ein weiteres Bauteil ins Spiel, das auch innerhalb der beiden Abflussrohrwinkel untergebracht sein will. Die einfache Lösung, das NodeMCU-Board einfach mit einem Kabelbinder an den Feinstaubsensor zu hängen, wird so etwas schwierig. Der Spannungsregler verkompliziert leider den Aufbau. Meine Lösung ist es, eine kleine Kunststoffplatte als Bauteileträger zu verwenden. Daran werden Feinstaubsensor, NodeMCU und Spannungsregler angeschraubt. Wie das aussieht zeige ich im nächsten Artikel.

Fazit

Wer nur wenige Meter von der 230V-Steckdose zum Feinstaubsensor zu überbrücken hat, der baut die Stromversorgung nach der Originalanleitung des Stuttgarter Feinstaubprojekts. Denjenigen, die eine größere Kabellänge nicht vermeiden können, gebe ich hier eine Alternative an die Hand. Die ist zwar etwas aufwändig und es muss gelötet werden, dennoch halten sich die Kosten dafür im Rahmen. Eine denkbare weitere Lösung wäre die Verwendung eines 5V Festspannungs Step-Down Schaltreglers. Damit würde  zumindest der Abgleich entfallen, der Preis liegt aber wohl etwas höher.

 


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