Autonomous power supply at the apiary

By | February 16, 2021

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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Author: Javan

Hobbyimker und leidenschaftlicher Programmierer. Hat das Imkern während der Schulzeit gelernt. Imkert seit 2013. Mitglied des Imkerverein Würmgau.

30 thoughts on “Autonomous power supply at the apiary

  1. Chris

    Hallo,
    ich bin gerade dabei das Projekt bei mir umzusetzen. Ich habe folgendes Problem mit meinem PI zero W:
    mit dem Steckernetzteil startet er ganu normal und läuft. An einer 12V KFZ Batterie mit dem DC Converter 8-22V bis 5V 3A startet er nicht!
    Woran kann das liegen und was wäre eine Lösung? Ich benötige nämlich eine autarke Spannungsversorgung

    Reply
    1. Michael Hofer

      Hast du die Ausgangsspannung gemessen?
      Sind es wirklich 5V
      Bei manchen Convertern kann man die Spannung einstellen

      Reply
      1. Chris

        ja, hab sogar 2 Converter getestet. Einer hat 5,0V Ausgangsspannung und der andere 5,1V. Beide bringen den PI zero nicht zum laufen. Ist für mich auch gerade etwas unerklärlich…

        Reply
  2. Michael

    Hallo

    Wir sind gerade beim Versuchsaufbau und ich wollte fragen ob es sinn macht den Akku Thermisch zu isolieren (also in eine Styroporbox zu stellen) um ihn vor Frost zu schützen?

    Hat da jemand Erfahrung damit?

    Des Weiteren haben wir wenn ein schöner Tag ist und der Laderegler anspringt starke Ausschläge bei der Gewichtsmessung (morgens ins + um 400-500g und nachmittags 300-500g ins minus ?!?!?!) Hat dieses Problem sonst jemand?

    Wie gesagt derzeit nur Versuchsaufbau mit gleichbleibendem Gewicht

    FAZIT: Hammer Projekt der HoneyPi, danke für alles!!!

    Reply
  3. Christoph

    Guten Abend,
    Auch wenn die Variante mit der Autobatterie, solarzelle, Spannungswandler etc. mein Bastlerherz anspricht, habe ich mich dennoch für den denkbar einfachsten Weg entschieden und einfach das hier gekauft.
    QTshine Solar Powerbank 26800mAh,Solarladegerät mit Eingängen Type C,Power Bank Hohe Kapazitat Externer Akku Fast Charge Tragbares Ladegerät Akkupack für iPhone, iPad, Samsung Galaxy und mehr https://www.amazon.de/dp/B0895SL557/ref=as_li_ss_tl?ie=UTF8&linkCode=ll1&tag=honeypi-21&linkId=ba80a2f266f5abffc21ad47ec1c88048&language=de_DE

    Ich habe die powerbank in einen wasserfesten ZIP-Beutel gepackt. Und die stelle wo das ladekabel zum Pi herausgeführt wird mir Outdoor panzertape Abgedichtet. Voila!
    Der Strom der Nachts verbraucht wird, wird selbst bei herbstlich bewölktem Himmel wieder aufgeladen.
    Bisher bin ich mit dieser Lösung sehr zufrieden.
    Die ganze restliche Elektronik befindet sich in einer wasserdichten Kajak-Tonne. In die ich ein loch gebohrt habe und die kabel mit heisskleber versiegelt herausgeführt hab.

    Falls jemand eine mobile Lösung sucht. Kann ich diese Version auf jeden fall empfehlen.

    Reply
    1. Julian

      Womit lädst du die Powerbank den? Nur mit der eingebauten solar Platte?
      Reicht das wirklich wie oft sendest du den die Daten hoch?

      Reply
      1. Jörg

        Kann mir nicht vorstellen das das reicht nach meinen jetzigen Erfahrungen. Lithiumtechnik hat ein Problem bei Minus Graden das kommt noch dazu. Vielleicht berichtet er ja von seinen Erfahrungen.
        Ob er ein Pi Zero verwendet mit witty wissen wir auch nicht.

        Gruß Jörg

        Reply
        1. julian

          Deswegen frage ich ja , 🙂
          Ich wollte sowas aber auch mal testen .
          Mit Pi zero +Witty und ein oder 2 mal am tag daten senden per Wlan

          Reply
    2. Tristan Reitz

      Hallo Christoph,

      dein Aufbau hört sich sehr interessant an. Kannst du mir ein paar Bilder schicken?
      Wie klapp es mit der Powerbank bei diesem Schuddelwetter mit sehr wenig Sonne?
      Gruß Tristan

      Reply
      1. David

        Leider immer noch keine Antwort 🙁 Ich möchte Anfang nächsten Jahres auch mit diesem Projekt beginnen und hoffe, dass sich Christoph nochmal meldet.

        Also die Kombination aus Witty + Pi Zero + Solarpowerbank wäre es der Hammer. Es gibt ja auch noch die Alternative, dass man z.b. eine Solarpowerbank mit zusätzlichem Solarpanel verwendet. Ich werde dieses Projekt auf jedenfall im kommenden Jahr ausprobieren und berichten 🙂

        Reply
  4. Kai

    Hallo,

    erst mal dickes Lob an das HoneyPi Team. Echt cooles Projekt !

    Ich stehe gerade vor der Entscheidung welche Solarlösung für mich passt. Ich verwende den Pi Zero W mit einem Surfstick.

    Wenn ich die Doku richtig verstehe ist ein externes Nachladen bei einem 70Ah Akku + 10-20 Watt Solarpanel im Winter sehr wahrscheinlich, richtig !?

    Dann würde ich es nämlich eher mit Witty Pi 3 Mini + kleines Solarpanel + alte Powerbank (20Ah) probieren.

    Mit welchen Setup ohne Witty Pi kommt man denn sicher über den Winter 🙂 ?

    Danke für eure Hilfe

    Gruß
    Kai

    Reply
  5. 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
      1. Stefan

        Hallo,

        Habe nun auch endlich 2 Waagen am laufen.
        Gibt es schon Neuigkeiten zum esp32/nodemcu? Habe nun das Verbrauchsproblem.

        Reply
        1. Javan Post author

          Hallo Stefan,
          von uns wird es keine Esp32 Version geben, da wir mit dem WittyPi Modul eine geeignete Lösung geschaffen haben. Es gibt auch andere Zeitschaltungslösungen Module, die man nutzen kann.
          Grüße
          Javan

          Reply
  6. 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
  7. Johannes

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

    Reply
    1. Javan Post author

      Der Spannungsmesser wurde inzwischen ab Version v1.0 integriert. 🙂

      Reply
  8. 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

      Nachtrag: Der Spannungsmesser wurde inzwischen ab Version v1.0 integriert.

      Viele Grüße
      Javan

      Reply
      1. Martin Kosmann

        Hallo Javan,
        ich bin gerade dabei mir eine autarke Stromversorgung aufzubauen. Gibt es schon die Möglichkeit den oben genannten Spannungssensor anzuschließen?
        Viele Grüße
        Martin Kosmann

        Reply
        1. Javan Post author

          Nein, das wurde bisher leider noch nicht umgesetzt. Habe in den letzten Wochen aber die anderen offenen Punkte umsetzen können, werde bald eine neue Firmwareversion hochladen.
          Nachtrag: Der Spannungsmesser wurde inzwischen ab Version v1.0 integriert.

          Reply
          1. Martin Kosmann

            Hallo Javan,
            jetzt sind alle Bauteile für meine autarke Stromversorgung eingetroffen, so dass ich alles zusammenbauen kann. Konntest du dich schon um die Anschlussmöglichkeit für den Stromsensor kümmern?
            Viele Grüße
            Martin

          2. Javan Post author

            Nachtrag: Der Spannungsmesser wurde inzwischen ab Version v1.0 integriert.

  9. 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
  10. 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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