Batteriebetriebene IOT-Geräte mit ESP

Im Gegensatz zu BLE ist WiFi nicht für batteriebetriebene Geräte ausgelegt. Dennoch ist es mit ein paar Tricks möglich, ein Messgerät (z.B. Wetterstation) mit einem Batteriesatz über 1 Jahr lang zu betreiben. Dies ist jedoch nur möglich, wenn man den ESP die meiste Zeit schlafen schickt (Deep-Sleep-Mode).

Die Lebenszeit der Batterie hängt wesentlich von drei Faktoren ab: der Einschaltzeit, der Einschalthäufigkeit und dem Ruhestrom.

Bei eingeschaltetem WiFi benötigt der ESP ca. 80mA. An diesem Verbrauch lässt sich nichts/wenig ändern, jedoch an der Zeit, bis der ESP wieder in den Deep-Sleep-Mode (mit 0.01mA) gehen kann. Deshalb ist es wichtig die Sensoren so schnell wie möglich auszulesen und die Daten ohne Verzögerung an den Server zu übermitteln. Eine Verlängerung der Übertragungszeit von 1 Sekunde führt zu einer Reduzierung der Lebenszeit der Batterie um 10%. Auch kann die Wahl eines anderen Übertragungsprotokolls (HTTP, MQTT) noch eine Sekunde einsparen.

Wenn sich schon nicht die Einschaltdauer verringern lässt, kann man zumindest den Abstand der Messungen und Übertragungen verlängern. Natürlich wäre es schön jede Minute neue Messwerte auf dem Server zu schieben aber bei einem stündlichen Update lebt die Batterie über Faktor 30 länger. Beim ESP beträgt der maximal einstellbare Abstand zwischen zwei Wake-Ups 4294 Sekunden (71 Minuten). Für größere (oder genauere) Zeitabstände ist eine externe RTC notwendig.

Der Ruhestrom (Deep-Sleep-Mode) des reinen ESPs liegt bei ca. 0,01mA. Somit wäre die Selbstentladung der Batterie größer als der Ruhestrom. Bei Verwendung eines Entwicklungs-Boards sind es jedoch die anderen Komponenten, die den Strom ‚fressen‘. Vor allem der Linear-Spannungsregler von 5 auf 3,3 Volt ist Maßgeblich für die Lebenszeit. Der Regler auf den NodeMCU-Boards hat einen Querstrom von ca. 2,5mA und somit eine um den Faktor 10 verkürzte Batteriezeit. Der Spannungsregler auf dem WeMos D1 mini ‚verbrät‘ nur 0,15mA, was nur Faktor 1,6 entspricht. Auch wenn man direkt am 3V3-Pin die Spannung einspeist ziehen die Regler einen Querstrom. Für Neuentwicklungen oder Upgrades empfiehlt sich der MCP1703-3302 mit einem Ruhestrom von 0,002mA.

Minimalistischer ESP (ohne Spannungsregler) an Lithium-Thionylchlorid-Batterie (3,6V 2600mAh); eine Messung je Stunde → Lebenszeit 1,25 Jahre

WeMos D1 mini an 3x AA-Batterie (2500mAh); eine Messung je Stunde → Lebenszeit 0,75 Jahre

WeMos D1 mini an 3x AA-Batterie (2500mAh); eine Messung alle 10 Minuten → Lebenszeit 70 Tage

NodeMCU an 3x AA-Batterie (2500mAh); eine Messung je Stunde → Lebenszeit 35 Tage

Hinweis: Alle Beispiele mit 10 Sekunden Einschaltzeit und 80mA Stromaufnahme