Konzeptentwicklung

Konzeptentwicklung

Gesamtaufbau
Der Gesamtaufbau besteht grundsätzlich aus 4 Teilen: Der Web-App, welche die Benutzeroberfläche darstellt und von der aus die Funktionen der LED-Matrizen gestartet werden können. Der Leuchtsequenz, welche die Leuchtfunktionen der LED-Matrizen beschreibt. Der MQTT-Verbindung, welche die Kommunikation zwischen Web-App und den ESP32s mithilfe eines Brokers gewährleistet. Und zuletzt der Hardware, welche die ESP32s, Akkus, LED-Matrizen und sonstige Peripherien zur Verfügung stellt. Die Web-App kommuniziert also per MQTT-Broker mit den verschiedenen ESP32 und übergibt ihnen eine vorgegebene Leuchtsequenz. Die ESPs steuern dann die LED-Matrizen entsprechend der eingestellten Sequenz an.

Um das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten und der Software der anderen Gruppen zu testen und aufzuzeigen, soll ein Gesamtaufbau aus mehreren 8x8-LED Matrizen vorgestellt werden. Da es sich bei den Einzelsystemen um modulare Aufbauten handelt die keine Handware Schnittstellen besitzen, gibt es kaum Einschränkungen in Bezug auf die tatsächliche Anordnung, solange alle ESP-32 Kontakt zum gleichen MQTT-Broker aufbauen können. In Abstimmung mit dem Rest des Teams wurde sich schließlich dazu entschieden für den finalen Aufbau 16 LED-Matrizen in der Anordnung 4x4 zu nutzen. Für jede LED-Matrix wird hierfür das Energieeffiziente Konzept (siehe unten) verfolgt. Eine der 8x8-Matrizen wird hierbei beispielhaft in Kombination mit mechanischen Würfel-Aufbau realisiert.

Abb.: Gesamtkonzept des Teams

Energieeffizientes Konzept
Da zunächst keine Platine entwickelt werden sollte, wurden einige Weiterentwicklungen am Basiskonzept vorgenommen werden, welche die Energieeffizienz weiter steigern sollte. Folgende Änderungen wurden am Basiskonzept durchgeführt:

1. Entfernen des Induktivlademoduls. Der Ladevorgang des Akkumulators soll ausschließlich per Mikro-USB Netzteil erfolgen, da ein induktives Laden keine energieeffiziente Lademöglichkeit bietet.

2. Entfernen des Stromsensors. Das Einbinden eines Stromsensors ist nicht zwingend nötig und verbraucht wertvollen Strom.

3. Substituieren des Lademoduls und des ESP32 DevKitC V4 durch ein LOLIN32 Board. Das LOLIN32 Board ist eine Variante des ESP32 welche bereits eine Ladefunktion für den Akkumulator implementiert. Ein weiterer Vorteil des LOLIN32 Boards ist, dass es im Gegensatz zu anderen ESP32 Modulen nicht einen AMS1117 Spannungsregler verwendet, welcher konstant 5 mA verbraucht, sondern einen ME6211 Spannungsregler, welcher mit 0,04 mA auskommt und somit einen deutlich geringeren Verbrauch hat und sinnvoller für die Nutzung mit LiPo-Akku macht. Dadurch entsteht jedoch das Problem, dass das LOLIN32 Board nicht über einen 5V Ausgang verfügt, obwohl die LED-Matrix laut Datenblatt ein 5V Spannungsversorgung benötigt. Da die Matrix jedoch auch mit 3,3V betrieben werden kann, wenn auch mit geringerer Leuchtkraft, kann dies ebenso als eine Art Enegieeinsparung angesehen werden.

Abb.: Energieeffizientes Konzept

Weiterentwicklung des Konzepts
Im Laufe des Projekts wurden weitere Entwicklungen am Aufbau des elektrischen Systems vorgenommen, um die Effizienz des Systems weiter zu steigern. Die Idee für die im Folgenden aufgeführten Weiterentwicklungen stammt vom Team Energiegewinnung Solar und wurde für unsere Anwendung angepasst.

Um einen Stromverbrauch während den Sleep-Phasen des Mikrocontrollers zu minimieren, wurde ein zusätzliches System zum Abkoppeln der Stromversorgung integriert. Hierbei wird die direkte Verbindung zwischen Akku und Restsystem mithilfe eines N-Kanal Mosfets unterbrochen. Der Mosfet wird mithilfe des ESP-32 angesteuert und kann dadurch unterbrochen werden.

Um ein erneutes Aufwecken des Mikrocontrollers zu ermöglichen, werden parallel zur Versorgung des ESP-32 auch zwei große Kondensatoren geladen, welche genug Ladung speichern können, um den ESP-32 aus seinem Schlaf wecken zu können und erneut eine Stromversorgung durch Schließen des Mosfets zu erzeugen. Ist die Versorgung wieder gewährleistet, werden die Kondensatoren wieder geladen, um ein erneutes Entkoppeln zu ermöglichen.

Um eine optimale Spannungsversorgung des ESP-32 gewährleisten zu können, wird die Versorgungsspannung des Akkus mithilfe eines Step-Up Converters auf 5V gewandelt. Mit dieser Spannung wird daraufhin der ESP-32 versorgt, sowie die Kondensatoren geladen.

Abb.: Weiterentwickeltes Konzept des elektrischen Systems

Basiskonzept
Zu Begin wurde ein relativ einfaches Konzept entwickelt, um zunächst einen einfach zu nutzenden und gut funktionierenden Aufbau umzusetzen.

Die Stromversorgung des Systems wird mithilfe eines LiPo-Akkumulators gewährleistet. Dieser stellt eine Spannung zwischen 3,7V im voll geladenen Zustand und 3,3V im beinahe leeren Zustand zur Verfügung. Das Laden des Akkus wird durch ein spezielles LiPo-Lademodul bewerkstelligt. Dieses besitzt unter anderem einen Micro-USB Anschluss welcher zur Stromversorgung des Lademoduls genutzt werden kann.

Über den Micro-USB Anschluss des Lademoduls kann dementsprechend der Akku direkt per Netzteil oder alternativ mithilfe eines induktiven Lademoduls, welches ebenfalls eine männliche Micro-USB Schnittstelle besitzt, geladen werden. Das Induktivlademodul wird hierbei durch eine externe Induktivladeplatte mit Energie versorgt.

Die zentrale Steuereinheit stellt ein ESP-32 Devkit V4 dar. Die Hauptaufgabe der Steuerung besteht unter anderem darin, mit dem Webserver zu kommunizieren, den LDR-Sensor abzurufen, den Stromsensor abzurufen, die Batteriespannung zu ermitteln und die LED-Matrix anzusteuern.

Die Helligkeit der Umgebung kann hierfür mithilfe eines LDR Sensors ermittelt werden, woraufhin eine entsprechende Helligkeit der LEDs eingestellt werden. Eine höhere Umgebungshelligkeit resultiert in einer höheren LED-Helligkeit, eine niedrigere Umgebungsgeschwindigkeit in einer niedrigeren LED-Helligkeit. Hierdurch soll der verbrauchte Strom der LED-Matrix gesenkt werden.

Durch den Einsatz eines Stromsensors kann der Stromverbauch des Systems gemessen werden. Der Stromsensor wird hierfür in Reihe mit der Massenleitung des Akkus geschalten. Durch einen Stromteiler am Akku, kann mithilfe des ADC-Wandlers des ESP-32 außerdem das aktuelle Spannungsniveau des Akkus ermittelt werden. Sinkt die Spannung unter ca. 3,2V ist der Akku nahezu leer.

Abb.: Basiskonzept des elektrischen Systems

Das gesamte elektrische System soll in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Um auch ein modulares Kombinieren von mehreren Systemen zu einem größeren Aufbau zu ermöglichen, soll das Gehäuse mit möglichst wenig Rand um die LED-Matrix aufgebaut werden. Dadurch können die Systme modular zu einer großen Matrix zusammengeschlossen werden. Ziel ist es zunächst einen Aufbau von 4x4 Systemen zu realisieren. Da die LED-Matrix eine Länge und Breite von 65mm besitzt und ihre Grundfläche somit ein Quadrat bildet, soll das Gehäuse eine würfelähnliche Form erhalten.

Abb.: Basiskonzept des Gehäuses