Einen Raspberry Pi mit autonomer Stromversorgung betreiben

(Kontext: Mit einem Raspberry Pi, DVB-T-Stick und Flightradar 24 einen Hobby-ADS-B Empfänger aufbauen)

Wie im oben verlinkten Blog-Post beschrieben muss sich die Antenne im Freien befinden, um den bestmöglichen Empfang der ADS-B-Signale zu realisieren.

Bevor ich entdeckte, dass das DVB-T-Antennenkabel problemlos durch einen Fensterrahmen geführt werden kann und das Schliessen des Fensters überlebt, machte ich mir Gedanken, wie man Antenne UND den Raspberry Pi zusammen auf dem Balkon der Mietwohnung installieren könnte.

Das grösste Problem war hierbei die Stromversorgung, da sich auf unserem Balkon kein Stromanschluss befindet.

Stromverbrauch

Gemäss der Web-Seite Solar Power for Raspberry Pi verbraucht mein Raspberry Pi 1, Model B, mindestens 480mA, was einem Tagesverbrauch von 57.6Wh entspricht.

Ein anderer Artikel Power Consumption berechnet mindestens 220mA, wenn man den HDMI-Port deaktiviert und die LEDs ausschaltet (wie man das macht, ist in diesem Artikel beschrieben: Raspberry Pi Zero – Conserve power and reduce draw to 80mA).

Der DVB-T-USB-Dongle verbraucht gemäss (geleaktem?) Data Sheet des Chip-Herstellers maximal 178mA.

Der bei einem Outdoor-Betrieb zwingend nötige WLAN-USB-Dongle sollte dann auch noch dazugerechnet werden. In meinem Fall hatte ich geplant, einen ZyXEL NWD2205-Stick zu verwenden. Gemäss Datenblatt saugt das Ding 315mA beim Senden und 250mA beim Empfangen.

Zusammengerechnet hätte dies also in einem Verbrauch von 480 + 178 + 315 = 973 mA oder 0.973A entsprochen — multipliziert mit 5V also genau 4.865 Watt.

Da ich den Raspberry Pi mittlerweile mittels Power-over-Ethernet PoE mit Strom versorge (hierzu verwende ich einen Uctronics U5159 Umwandler, der aus dem Ethernet-Kabel den Strom extrahiert, transformiert und dann mit 5V und bis zu 2.4A auf einen Micro-USB-Port ausgibt — bspw. erhältlich auf Amazon.com für $10), kann ich über den Unifi Controller sehen, wie viel Leistung das Ding zieht: 5.31 Watt. Es kann aber gut sein, dass diese Messung durch den UniFi-Switch sowie auch den Uctronics stark verfälscht wird.

USB-Powerbanks?

Von dieser Lösung nahm ich rasch Abstand, da gewisse Dinger mit 10000, 15000 oder gar 20000 mAh zwar ordentlichen Stromspeicher besitzen, aber trotzdem nicht geeignet sind:

Wie lädt man die Dinger auf — musste man mindestens zwei Powerbanks anschaffen sie täglich rotieren? Das kam für mich nicht in Frage.

Sind sie für den Aussenbetrieb geeignet, d.h. verkraften sie Temperaturen wie jetzt gerade bis zu minus 5 Grad in der Nacht?

Solar!

Nach einigen Überlegungen kam ich dann auf die naheliegende Lösung: Solarstrom!

Zwar gibt es bei Amazon haufenweise Powerbanks mit integriertem Solarpanel (sogar eine mit 20000mAh, derzeit aber vergriffen) (Digitec hat auch einige, bspw. Sandberg Outdoor Solar (16000mAh, Solarbetrieb) sowie DÖRR Solar Powerbank SC-10000 black (10000mAh, Solarbetrieb)), doch nach einiger Lektüre im Netz kam ich zum Schluss, dass die Dinger nicht für einen 24/7-Betrieb eines RPi taugen (sie laden die Batterie nicht schnell genug auf, damit der RPi die Nacht überlebt).

Ein Solarpanel muss her. Da dieses aber nur am Tag bei Sonnenschein Strom liefert, muss man auch hier mit Batterien arbeiten. Nicht aber mit Powerbanks (Li-Ion) sondern besser mit Blei-Batterien, wie man sie von USVs kennt.

Nicht zu vergessen ist auch, dass Solarpanels 12V ausgeben, was für USB-Geräte nicht brauchbar ist (der USB-Standard sieht eine Spannung von 5V vor). Somit muss man noch einen Transformator dazwischenschalten, der 12V auf 5V heruntertransformiert.

Auf der Suche nach Lösungen fand ich zwei Arten von Produkten: Einerseits Sets, die primär für RPis gedacht sind, sowie Allzweck-Anlagen, mit welchen man Gartenhäuschen, Wohnwagen etc. mit Solarstromversorgung ausrüsten kann.

Die von mir entdeckten RPi-spezifischen Lösungen sind nachfolgend aufgelistet:

MoPower UPS (Anwendungsbeispiel mit Batterien und Solarpanel; MoPower UPS designed for the Raspberry Pi ASSEMBLED AND TESTED Shop-Artikel für 55 Dollar) mit mehreren AA-Batterien

MoPi: Mobile Pi Power – Stackable Eine reine Batterie-Lösung, ohne darauf einzugehen, wie man diese in Echtzeit lädt

Cottonpickers Solar and Battery Case 3D-gedrucktes Gehäuse für 4 AA-Batterien und mit einem kleinen 2W Solarpanel

PISOLMAN – SOLAR POWER MANAGEMENT MODULE FOR THE RASPBERRY PI ZERO Die Batterie fehlt hier; Vorteil dieser Lösung: Das Ding akzeptiert 12V direkt von einem Solarpanel und kümmert sich um die Transformation der Spannung.

Für andere IoT-Geräte konzipierte respektive generische Lösungen:

Arlo Solar Panel (VMA4600) Problem: Die Arlo-Kamera besitzt eine Li-Ion-Batterie und eine integrierte Ladelogik. Mir ist nicht klar, ob ich an dieses Panel eine Powerbank anhängen kann und an die Powerbank einen RPi. (Dasselbe Produkt bei microspot für 108 CHF)

Solar Panel Compatible With Arlo Pro & Arlo Pro 2, Power your Arlo Outdoor Camera continuously with our new Solar Charging Device – by Wasserstein Offenbar eine günstigere Alternative zur Arlo-Lösung, obwohl die Kommentare kritisch sind.

DIY PORTABLE USB SOLAR CHARGER ($20 – 4 PORTS) Leider löten und basteln angesagt, nichts für mich!

Hätte ich nicht realisiert, dass das Antennenkabel durch den Fensterrahmen geführt werden kann, hätte ich mir wohl schlussendlich folgendes Produkt geleistet:

Solar-Set Poly Esotec 120005 20 Wp inkl. Akku, inkl. Anschlusskabel, inkl. Laderegler 179.95 CHF bei Conrad.ch (dasselbe Produkt für 168 CHF ohne Versand bei Westfalia.ch)

Die Batterie besitzt einen Speicher von 8 Ah (d.h. 8000 mAh), das Solarpanel generiert 20 Watt Spitzenleistung. Die kleinere Version der Anlage mit „nur“ 4000 mAh kostet 99.95 CHF.

Anschliessend hätte ich wohl auch noch den Laderegler mit einem Produkt ersetzt, das zwei USB-Anschlüsse direkt eingebaut hat (damit verzichtet man auf zusätzlichen Kabelsalat):

ALLPOWERS 20A Solarladeregler 12V / 24V Intelligenz USB Teil Solar Panel Regler mit USB Port Display

Was ich bis jetzt nicht klären konnte: Liefert der USB-Anschluss wirklich nur 500mA (gemäss Handbuch), oder geben die Laderegler trotzdem auch gegen die 1A Strom aus (wie die kleinere Lösung, gemäss dessen Handbuch)?

Links

Bei der Recherche zur Lösung notierte ich mir unzählige Links notiert. Hier die wichtigsten:

Create a portable battery and solar powered Raspberry Pi Zero web server Für mich keine Lösung, da Raspberry Pi Zero und das Ding nur einen USB-Port besitzt (ich brauche je einen für den DVB-T-Dongle und einen für den WLAN-Dongle). Abgesehen dreht sich der Artikel mehr darum, wie man nginx und Applikationen auf einem RPiZ installiert.

Power Consumption

Raspberry Pi Zero – Conserve power and reduce draw to 80mA

Solar Power for Raspberry Pi

Tutorial: Part 3 -Building a Solar Powered Raspberry Pi Weather Station – GroveWeatherPi

Lichtfalle: Praxiserfahrungen mit einer Mini-Solaranlage