samedi 23 février 2019

ESP8266 et ESP32 sur batterie

ESP8266 et ESP32 sur batterie


Vous connaissez certainement ces petits modules WIFI et je ne vais pas vous les décrire une Nième fois.

Dans cet article nous allons plutôt nous intéresser à l'élaboration d'une solution à base d'ESP8266 ou ESP32 alimentée par batterie.

Nous en profiterons pour explorer aussi certains sujets pour les plus ou moins débutants :
  • les cartes de prototypage
  • le câblage
  • le chargement par l'IDE ARDUINO 
  • le sommeil profond ou deep-sleep
  • le réveil périodique
  • le réveil par une entrée digitale
  • envoyer un mail
Avant tout, il est important de savoir que le sommeil profond entraîne la coupure du modem WIFI, et donc l'ESP8266 ou l'ESP32 se retrouvera dans l'incapacité de communiquer.
Les montages réalisés dans une optique serveur WEB ne pourront bénéficier de cette technique d'économie d'énergie. Si vous envisagez la réalisation d'un serveur WEB alimenté par batterie, orientez-vous plutôt sur une alimentation secteur ou une alimentation par batterie + recharge solaire.

1. Alimentation sur batterie

1.1. Tension de service

Avant d'aller plus loin, il faut savoir que :
  • la tension d'alimentation de l'ESP8266 ne peut dépasser 3.6V
  • il ne peut fonctionner en dessous de 2.5V
  • la tension d'alimentation de l'ESP32 ne peut dépasser 3.6V
  • il ne peut fonctionner en dessous de 2.3V.
L'alimentation par batterie passera de préférence par les solutions suivantes :
  • 2 batteries NIMH en série
  • 1 batterie LifePo4 (l'idéal)
  • 3 batteries NIMH en série + 1 régulateur 3.3V ou 3V
  • 1 batterie LITHIUM-ION ou LIPO + 1 régulateur 3.3V ou 3V
La solution consistant à utiliser 2 batteries NIMH en série paraît optimale pour l'ESP8266 mais elle ne l'est pas pour les batteries :
La tension à pleine charge sera de 2.8V.
L'ESP8266 pourra fonctionner jusqu'à 2.5V
A 2.5V les batteries seront loin d'être vides. Il restera environ 30% de capacité, et il sera obligatoire de les décharger avant de les recharger afin d'éviter l'effet mémoire. Certains chargeurs font cela automatiquement.

Par contre la solution à 2 batteries NIMH est un peu plus intéressante pour l'ESP32 car sa tension minimale de fonctionnement de 2.3V se rapproche de la tension minimale des batteries : 2 x 1.1V.

1.2. Courant

Un ESP8266 consomme un courant important lors de la connexion WIFI :
https://www.ondrovo.com/a/20170207-esp-consumption/
Il est inutile de vouloir l'alimenter avec une source incapable de fournir ce courant (une batterie 9V par exemple).

1.3. Autonomie

La capacité de la batterie à utiliser dépendra de plusieurs facteurs :
  • consommation de la carte utilisée
  • consommation des capteurs
  • courant de repos du régulateur de tension
  • fréquence des réveils
  • etc.
Dans le présent article vous trouverez la description de quelques cartes ESP8266 et ESP32 avec leurs consommations respectives.

Dans cet autre article vous trouverez les caractéristiques de consommation de nombreux capteurs de température, humidité, pression et lumière :
https://riton-duino.blogspot.com/2018/12/les-capteurs-de-temperature-humidite.html

Lisez également celui-ci : https://riton-duino.blogspot.com/2019/02/alimenter-un-arduino-sur-pile-ou.html
Ce article vous fournira aussi d'autres renseignements :
  • utilisation éventuelle d'un régulateur
  • calcul de l'autonomie
  • vérification de la consommation
  • surveillance de la tension de la batterie
Si vous tenez absolument à alimenter l'ESP8266 ou l'ESP32 avec une batterie LITHIUM-ION ou LIPO, cet article vous aidera dans le choix de votre régulateur :
https://riton-duino.blogspot.com/2018/11/les-regulateurs-ldo.html
Le modèle choisi devra être capable de débiter 500mA.

2. L'ESP8266

2.1. Le firmware

L'ESP8266 peut être chargé avec différentes firmwares :
  • le firmware "AT commands"
  • le firmware NodeMCU
  • le firmware MicroPython
  • etc.
  • et enfin un firmware développé par vous-même avec l'IDE ARDUINO ou le SDK Espressif
Le firmware AT n'est utile que dans le cadre du pilotage d'un ESP8266 par un autre microcontrôleur ARDUINO ou autre, en passant par la ligne série. Cette solution était auparavant assez utilisée mais elle est en perte de vitesse. Il est difficile d'obtenir un résultat performant en utilisant ce moyen.
Et pourquoi s'encombrer d'un ARDUINO alors qu'un ESP8266 sait tout faire et bien mieux ?
Justifier ce choix par un nombre de GPIOs et d'entrées ADC plus important pour l'ARDUINO n'est valable que lorsque l'on a affaire à un ESP01, et il est possible d'étendre les GPIOs avec un expander I2C ou SPI. Et autant passer sur un ESP32 pour avoir plus d'entrées ADC, d'autant plus que la résolution est supérieure.

Le firmware NodeMCU et son langage LUA : apparemment le deep-sleep existe. Je ne l'ai pas essayé.

Le firmware MicroPython dispose aussi du deep-sleep.
Je n'ai pas encore essayé MicroPython sur ESP8266 mais j'avoue que je me laisserais facilement tenter.

Dans cet article nous nous intéresserons pour l'instant uniquement au langage C / C++ en utilisant l'IDE ARDUINO.

2.2. Le hardware

Dans une solution basse consommation à base d'ESP8266 il est intéressant d'utiliser le module nu et de l'implanter sur un PCB maison. D'une part cela permet d'être sûr qu'aucun composant superflu ne viendra augmenter la consommation du montage, d'autre part l'encombrement sera réduit.

Par contre pour des besoins de prototypage, il est tout de même plus intéressant de disposer d'une carte enfichable sur une breadboard.

Nous allons commencer par un petit schéma de base :
Ce schéma représente le minimum vital pour pouvoir travailler. L'ESP8266 est équipé de quelques composants et connexions :
  • RESET : un bouton-poussoir permettant le redémarrage
  • FLASH : un bouton-poussoir permettant le chargement
  • R1 : résistance de pull-up du de la broche RST
  • R2 : résistance de pull-up de la broche EN
  • R3 : résistance de pull-up du de la broche GPIO0
  • R4 : résistance de pull-up du de la broche GPIO2
  • FTDI : un connecteur de chargement
  • GPIO15 relié à GND
On peut facilement l'essayer sur une breadboard.

Le connecteur FTDI reçoit les signaux d'un convertisseur USB / série. RX et TX sont croisés bien entendu. On peut aussi alimenter le montage à l'aide du 3.3V du convertisseur.
Il est impératif de choisir un convertisseur 3.3V ou un modèle possédant un cavalier permettant de le basculer en 3.3V :
Il vaut mieux rapprocher les boutons RESET et FLASH pour pouvoir les manipuler avec un seul doigt.

Le chargement par l'IDE ARDUINO se passe de la façon suivante :
  • lancer le chargement
  • presser les boutons RESET et FLASH
  • relâcher le bouton RESET en maintenant le bouton FLASH enfoncé jusqu'au début du chargement (Téléversement ...)
Si le message "error: espcomm_upload_mem failed" s'affiche, revoyez votre câblage, y compris les pins RX TX qui doivent être croisées. Personne n'est à l'abri d'une erreur.

Les cartes du type WEMOS D1 MINI ou NodeMCU vous dispensent de ces manipulations de boutons. Il suffit de lancer le chargement

Chargement automatique
Il est également possible d'obtenir le chargement automatique d'un module ESP8266 nu, tout en conservant le chargement manuel, grâce à l'ajout de quelques composants :
Contrairement à ce qui se passe sur une carte NodeMCU qui a besoin des signaux DTR et RTS, j'ai voulu utiliser un seul fil : DTR ou RTS.
Le front descendant du signal DTR ou RTS est transformé en impulsion à travers un condensateur pour provoquer le reset (en bleu sur l'oscillogramme ci-dessous), tandis que le signal complet est appliqué sur GPIO0 (en jaune sur l'oscillogramme ci-dessous) pour démarrer l'ESP8266 en mode bootloader.

Pourquoi cette manière de procéder ? parce que la majeure partie des convertisseurs USB / série proposent un signal DTR ou RTS, rarement les deux.
 Le condensateur C2 permet d'envoyer juste une impulsion de reset à la pin RST de l'ESP8266.

La diode D1 permet d'éliminer la surtension sur la pin RST lors de la décharge du condensateur C2, surtension visible sur l'oscillogramme ci-dessous.

Le transistor Q1 transmet l'intégralité du signal DTR ou RTS à la pin GPIO0 :


En bleu : la pin RST
En jaune : la pin GPIO0

Ce montage est utilisable de ceux manières :
  • avec un convertisseur USB / série simple (3.3V + GND + RX + TX)
    • appuyer sur les boutons RESET et FLASH
    • lancer le chargement
    • relâcher le bouton RESET au début du chargement (Téléversement ...)
    • relâcher le bouton FLASH quand le chargement à commencé
  • avec un convertisseur USB / série complet (3.3V + GND + RX + TX + DTR ou RTS)
    • lancer le chargement
    • c'est tout

2.3. Les cartes de prototypage

Il existe différents types de cartes dites "breakout" permettant d'implanter un module ESP8266 sur une breadboard.

2.3.1. Adaptateurs simples

Ce sont des cartes simples ne possédant ni convertisseur USB / série ni régulateur de tension. On les trouve sous la dénomination ESP8266 WhiteBoard.
Elles peuvent être équipées d'un régulateur 3.3V et certaines connexions sont déjà réalisées :
  • résistance de 10KΩ entre CH_PD (ou EN) et +3.3V
  • résistance de 10KΩ entre GPIO2 et +3.3V
  • GPIO15 relié à GND
Si l'on veut utiliser une carte de ce type, il nous suffit donc d'ajouter :
  • le bouton RESET
  • le bouton FLASH
  • la résistance R1
  • la résistance R3
  • un FTDI
Ces cartes sont très encombrantes, en particulier en largeur, mais elles conviennent parfaitement au prototypage.

Alimentée en 3.3V, elle devrait avoir la même consommation que le module nu, c'est à dire entre 20µA et 30µA en sommeil profond.

Cet autre modèle existe, encore plus nu, plus étroit (merci à NB pour l'info) :

https://oshpark.com/shared_projects/BREwuIR9

Il nécessite des barettes mâles SMD au pas de 2.54 :
aliexpress.com




2.3.2. La carte WEMOS D1 MINI

Cette carte est un peu plus riche. Elles possède :
  • 11 GPIOs
  • un régulateur 3.3V
  • un convertisseur USB / série CH340
  • des résistances de pull-up sur les broches RST, EN, GPIO0 et GPIO2
  • une résistance de pull-down sur la broche GPIO15
  • quelques condensateurs de découplage
Cette carte occupe un volume raisonnable.
Alimentée en 3.3V, elle devrait consommer environ 100µA en sommeil profond.

2.3.3. La carte NodeMCU
Cette carte, plus ancienne, est plus encombrante. Elle offre à peu près les mêmes caractéristiques que la précédente, avec 17 GPIOs.

Cette carte occupe un volume important.
Alimentée en 3.3V, elle devrait consommer environ 100µA en sommeil profond.

2.3.4. La carte ESP8266-01

Cette carte est très peu encombrante. Elle possède seulement 2 GPIOs.

Un ESP01 sur lequel la LED rouge a été éliminée peut avoir une consommation très basse (20 à 30µA). Cela se fait très facilement en la faisant sauter avec l'ongle.

Par contre elle ne vous offrira pas la possibilité de se réveiller périodiquement, sauf si vous reliez la pin GPIO16 à la pin RESET à l'aide d'un petit fil soudé sur les pattes du processeur. Je vous conseille le fil à wrapper, un fer à souder avec pointe fine et une bonne loupe frontale.

Pour l'enficher sur une breadboard vous aurez besoin de ceci :

Pour charger l'ESP01 le câblage est celui-ci :
Ce schéma est inspiré de celui de l'ESP8266 plus haut (voir les explications ICI). Il permet d'obtenir un chargement automatique ou manuel.

2.4. Le sommeil profond

Nous allons nous intéresser à un seul mode de sommeil, le deep-sleep, seul capable d'assurer une consommation suffisamment faible pour pouvoir fonctionner sur batterie avec une autonomie suffisante.
Le sommeil profond est obtenu par un appel à une méthode de la librairie ESP :

ESP.deepSleep(µs);

L'ESP8266 sera réveillé soit quand le temps spécifié sera écoulé, soit sur un signal sur une de ses entrées.

En fait, contrairement à ce qui se passe sur un ARDUINO, le réveil par GPIO n'existe pas sur un ESP8266. Nous devons provoquer un reset et le logiciel devra aller consulter les informations de reset et lire l'état de la GPIO pour connaître la cause du réveil.

Vous allez certainement remarquer que cela implique un redémarrage complet, avec déroulement du startup, de l'initialisation de la librairie C / C++ et donc une énorme perte de temps.
Oui, mais il ne faut pas oublier qu'il faudra aussi reconnecter le modem au réseau WIFI, ce qui prend aussi beaucoup de temps.

L'ESP8266, tout comme l'ESP32 n'est pas conçu pour traiter rapidement des interruptions internes ou externes quand il est en sommeil profond, comme pourraient le faire un ATMEGA ou un STM32.

Nous allons partir d'un exemple concret, un montage destiné à de la surveillance :
  • un capteur de température (réveil cyclique)
  • deux capteurs de passage PIR (réveil par une GPIO)
Comme notre montage n'a pas la possibilité de se comporter comme un serveur WEB, nous pouvons envoyer des événements sous diverse formes :
  • envoyer une requête HTTP à un serveur
  • envoyer des données en JSON à un serveur DOMOTICZ ou JEEDOM
  • envoyer un mail
  • etc.
Pour cet exemple j'ai choisi d'envoyer un mail.

On trouve beaucoup de documentation sur le WEB :
https://projetsdiy.fr/esp8266-client-web-exemples-communication-tcp-ip-esp8266wifi-esp8266httpclient/
https://projetsdiy.fr/esp8266-client-web-envoyer-donnees-domoticz-tcpip-api-json/
https://projetsdiy.fr/envoyer-donnees-jeedom-api-json-http-esp8266/

Pour obtenir les deux modes de réveil il va nous falloir ajouter quelques petites choses à notre carte :
2.4.1. Réveil par un PIR
Pour réveiller l'ESP8266 en sommeil il nous faut générer une impulsion de courte durée sur la pin RST. Au repos cette PIN est à UN. Il va falloir générer un ZÉRO pendant un temps court : 1ms par exemple.

Or la sortie d'un PIR est à ZÉRO au repos et génère lors des détections de passage une impulsion positive très longue qui ne convient évidemment pas.

En regardant le schéma, à gauche, la sortie du PIR attaque un condensateur puis la base d'un transistor NPN. La constante de temps 1µF x 1KΩ est de 1ms.

Le front montant du signal du PIR va produire une impulsion positive sur la base du transistor qui va conduire et ramener le potentiel de la pin RST à ZÉRO durant environ 1ms.

La sortie du PIR1 est reliée également à GPIO4 et la sortie du PIR2 à GPIO12 afin que le logiciel puisse consulter l'état de ces entrées.

Les deux résistances R1, R2, R4 et R5 permettent de décharger le condensateur et de revenir à l'état de repos.

J'ai utilisé des boutons poussoirs pour simuler les PIRs. Si de vrais capteurs PIR sont utilisés les résistances R1 et R2 sont inutiles.
Elles doivent seulement être présentes si des contacts secs sont utilisés (interrupteur, relais, ILS, etc). Elles servent de résistances pull-down.


2.4.2. Possibilités
Si à l'entrée nous avions autre chose qu'un PIR, il faudrait adapter.

Dans le cas d'une source produisant une impulsion vers le bas, on pourrait remplacer le NPN par un PNP :
Comme nous avons deux entrées pour les PIRs, il nous faudrait implémenter deux de ces circuits.

Si la source produit une impulsion trop courte, l'ESP8266 va redémarrer mais le logiciel n'aura pas le temps de lire la GPIO. Il faudrait dans ce cas insérer un monostable :
Ce circuit produit une impulsion positive de 500ms sur GPIO4, largement suffisante pour que l'ESP8266 aie le temps de démarrer.

Ce monostable déclenche sur un front montant en entrée. Pour implémenter un monostable déclenchant sur front descendant, remplacer tout simplement la porte OR (CD4071) par un porte AND (CD4081).

Comme nous avons deux entrées à surveiller, il nous faudrait implémenter deux de ces circuits.

2.4.3. Réveil périodique
Le deuxième cas, le réveil périodique, est obtenu en reliant GPIO16 à la pin RST. GPIO16 est une pin utilisée par le circuit RTC de l'ESP8266 qui lorsque le timer arrivera à échéance, générera l'impulsion qui nous intéresse.

2.4.4. RemarquesL'électronique de déclenchement de réveil pour l'ESP8266 est assez conséquente, surtout si plusieurs entrées de réveil doivent être implémentées. Pour chaque entrée on a besoin de :
  • 1 condensateur
  • 3 résistances
  • 1 transistor
Si les impulsions sur les entrées sont courtes c'est encore pire. Pour chaque entrée on a besoin de :
  • 2 condensateurs
  • 4 résistances
  • 1 monostable
  • 1 transistor
Le circuit utilisé, le CD4071 possède 4 portes OR, donc il est possible d'implémenter 4 entrées avec un seul CD4071, mais c'est une piètre consolation.

Comparativement l'ESP32 n'a besoin d'aucun composant additionnel.
Si vous envisagez de réveiller un ESP8266 par une ou plusieurs entrées digitales, optez plutôt pour l'ESP32.
Voir paragraphe 3. L'ESP32.

Nous voici donc avec un schéma permettant de mettre en œuvre les deux cas de réveil qui nous intéressent.

2.5. Le sketch

Voici un exemple de sketch :

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define SMTP_PORT     587
#define MOTION_PIN1   4
#define MOTION_PIN2   12
#define ONE_WIRE_PIN  5
#define SLEEP_TIME    (30*60)

enum rst_reason {
  REASON_DEFAULT_RST      = 0,         /* normal startup by power on */
  REASON_WDT_RST               = 1,         /* hardware watch dog reset */
  REASON_EXCEPTION_RST  = 2,        /* exception reset, GPIO status won’t change */
  REASON_SOFT_WDT_RST    = 3,        /* software watch dog reset, GPIO status won’t change */
  REASON_SOFT_RESTART     = 4,        /* software restart ,system_restart */
  REASON_DEEP_SLEEP_AWAKE = 5,   /* wake up from deep-sleep */
  REASON_EXT_SYS_RST      = 6            /* external system reset */
};

struct rst_info
{
  uint32 reason;
  uint32 exccause;
  uint32 epc1;
  uint32 epc2;
  uint32 epc3;
  uint32 excvaddr;
  uint32 depc;
};

const char* ssid = "Livebox-XXXX";
const char* password = "XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX";
char server[] = "smtp.xxxxxx.xx";
// Change to your base64, ASCII encoded user
const char userID[] = "XxXx
XxXxXxXx";
// change to your base64, ASCII encoded password
const char userPWD[] = "Yy
YyYyYyYyYyYy";
// sender
const char sender[] = "sender@xxxxxx.xx";
// recipent
const char recipient[] = "xxxxx.xxxxxxxx@gmail.com";
WiFiClient client;
OneWire oneWire(ONE_WIRE_PIN  );
DallasTemperature DS18B20(&oneWire);

void setup()
{
  int motionPin1;
  int motionPin2;
  rst_info *resetInfo;
  byte ret;

  Serial.begin(115200);
  resetInfo = ESP.getResetInfoPtr();
  Serial.print( "Wakeup reason: ");
  Serial.println((*resetInfo).reason);
  pinMode(MOTION_PIN1, INPUT_PULLUP);
  pinMode(MOTION_PIN2, INPUT_PULLUP);
  motionPin1 = digitalRead(MOTION_PIN1);
  motionPin2 = digitalRead(MOTION_PIN2);
  Serial.print("Motion1: ");
  Serial.println(motionPin1);
  Serial.print("Motion2: ");
  Serial.println(motionPin2);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)   {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected");
  Serial.print("IPess: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  switch (resetInfo->reason) {
    case REASON_DEFAULT_RST:
      ret = sendEmail("**** Just Started ****");
      break;
    case REASON_WDT_RST:
      ret = sendEmail("**** Watchdog Reset ****");
      break;
    case REASON_EXCEPTION_RST:
      ret = sendEmail("**** Exception Reset ****");
      break;
    case REASON_SOFT_WDT_RST:
      ret = sendEmail("**** Software Watchdog Reset ****");
      break;
    case REASON_SOFT_RESTART:
      ret = sendEmail("**** Software Reset ****");
      break;
    case REASON_DEEP_SLEEP_AWAKE:
      if (motionPin1) {
        ret = sendEmail("**** Motion1 Detected ****");
      }
      if (motionPin2) {
        ret = sendEmail("**** Motion2 Detected ****");
      }
      if (!motionPin1 && !motionPin2) {
        char temp[6];
        char s[32];
        dtostrf(getTemperature(), 5, 2, temp);
        sprintf(s, "**** temperture is %s ****", temp);
        ret = sendEmail(s);
      }
      break;
    case REASON_EXT_SYS_RST:
      ret = sendEmail("**** System Reset ****");
      break;
  }
  Serial.print("Going into deep sleep for ");
  Serial.print(SLEEP_TIME);
  Serial.println(" seconds");
  ESP.deepSleep(1000000L * SLEEP_TIME);
}

void loop()
{
}

byte sendEmail(const char *data)
{
  byte thisByte = 0;
  byte respCode;

  if (client.connect(server, SMTP_PORT) == 1) {
    Serial.println(F("connected"));
  } else {
    Serial.println(F("connection failed"));
    return 0;
  }
  if (!recv()) return 0;

  Serial.println(F("Sending HELLO"));
  client.println("EHLO www.example.com");
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending auth login"));
  client.println("auth login");
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending User"));
  client.println(userID);
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending Password"));
  client.println(userPWD);
  if (!recv()) return 0;
  Serial.print(F("Sending From ")); Serial.println(sender);
  client.print(F("MAIL From: ")); client.println(sender);
  if (!recv()) return 0;
  Serial.print(F("Sending To ")); Serial.println(recipient);
  client.print(F("RCPT To: ")); client.println(recipient);
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending DATA"));
  client.println(F("DATA"));
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending email"));
  client.print(F("To: ")); client.println(recipient);
  client.print(F("From: ")); client.println(sender);
  client.println(F("Subject: My first Email from ESp8266\r\n"));
  client.print(F("From ESP8266 N° "));
  client.println(ESP.getChipId(), HEX);
  Serial.println(data);
  client.println(data);
  client.println(F("."));
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending QUIT"));
  client.println(F("QUIT"));
  if (!recv()) return 0;
  client.stop();
  Serial.println(F("disconnected"));
  return 1;
}

byte recv()
{
  byte respCode;
  byte thisByte;
  int loopCount = 0;
  while (!client.available()) {
    delay(1);
    loopCount++;
    if (loopCount > 10000) {
      client.stop();
      Serial.println(F("\r\nTimeout"));
      return 0;
    }
  }
  respCode = client.peek();
  while (client.available()) {
    thisByte = client.read();
    Serial.write(thisByte);
  }
  if (respCode >= '4') {
    return 0;
  }
  return 1;
}

float getTemperature() {
  float tempC;
  do {
    DS18B20.requestTemperatures();
    tempC = DS18B20.getTempCByIndex(0);
    delay(100);
  } while (tempC == 85.0 || tempC == (-127.0));
  return tempC;
}

Comme on peut le constater ce code envoie un mail différent pour chaque cause de reset : reset système, réveil, exception, etc.
La lecture des pins GPIO4 et GPIO12 permet de déterminer la cause du réveil.
Comme il n'est pas possible de détecter l'impulsion sur GPIO16 dans le logiciel, on considère que le timer a déclenché le réveil si GPIO4 et GPIO12 sont à zéro.

Il vous faudra bien sûr remplacer certaines valeurs :

Le SSID de votre box

const char* ssid = "Livebox-XXXX";

Le mot de passe WIFI de votre box :

const char* password = "XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX";

L'adresse de votre serveur de messagerie :

char server[] = "smtp.xxxxxx.xx";

Le port SMTP utilisé par votre serveur :

#define SMTP_PORT     587

Votre identifiant de messagerie codé en base64 :

const char userID[] = "XxXxXxXxXxXx";
Votre mot de passe de messagerie codé en base64 :

const char userPWD[] = "YyYyYyYyYyYyYy";

L'adresse mail de l'expéditeur du message :

const char sender[] = "sender@xxxxxx.xx";

L'adresse mail du destinataire du message :

const char recipient[] = "xxxxx.xxxxxxxx@gmail.com";

Pour encoder un identifiant ou un mot de passe en base64 :

Sous LINUX utiliser la commande base64.

Sinon :

https://www.base64encode.org/

2.6. L'IDE ARDUINO

Il vous faudra bien entendu installer le support ESP8266 :
https://github.com/esp8266/Arduino#installing-with-boards-manager

Il vous faut aussi installer deux librairies :
https://github.com/PaulStoffregen/OneWire.git
https://github.com/milesburton/Arduino-Temperature-Control-Library.git

De préférence installez la dernière version.

3. L'ESP32

3.1. Le firmware

Ici encore nous nous intéresserons pour l'instant uniquement au langage C / C++ en utilisant l'IDE ARDUINO.

3.2. Le hardware

Je n'ai pas testé de module ESP32 seul.

A première vue, le schéma minimal devrait être celui-ci :
Le connecteur marqué FTDI permet de raccorder un convertisseur USB / série.
Il faut bien sûr croiser TX et RX.
Rappel: il est impératif de choisir un convertisseur 3.3V ou un modèle possédant un cavalier permettant de le basculer en 3.3V :
Ce schéma devrait pouvoir permettre d'obtenir le chargement de l'ESP32 sans avoir à agir sur les boutons RESET (EN) et BOOT.
La pin GPIO0 possède déjà sa propre résistance interne de pull-up.

3.3. Les cartes de prototypage

3.3.1. Adaptateur simple

Ce sont des cartes simples ne possédant ni convertisseur USB / série ni régulateur de tension.

3.3.2. L'ESP-WROOM-32
Cette carte est la seule que j'aie testé.
Elle possède un port USB, un convertisseur USB / série CH340, un régulateur 3.3V et des boutons EN (RESET) et BOOT. Il faut appuyer sur BOOT avant le chargement par l'IDE ARDUINO.

Il est possible de se passer du port USB si l'on désire alimenter la carte directement en 3.3V, en éliminant du même coup la consommation du CH340.
Un FTDI sera câblé sur les broches de la carte :
  • GND du FTDI sur GND de la carte
  • RX du FTDI sur TX0 de la carte
  • TX du FTDI sur RX0 de la carte
  • DTR du FTDI sur EN de la carte
Le CTS du FTDI aurait pu être connecté sur la pin GPIO0 mais celle-ci n'est pas disponible sur les broches de la carte. Il faudra appuyer sur BOOT avant le chargement par l'IDE ARDUINO.

Cette carte consomme trop en sommeil profond : 3mA.
On est loin des 5µA attendus, mais elle nous permettra d'effectuer la mise en œuvre logicielle sans problème.


3.3.3. La FireBeatle
Cette carte semble être une des moins gourmande du marché, avec 50µA de consommation en sommeil profond.

Elle dispose d'un connecteur pour une batterie LITHIUM-ION ou LIPO. Elle est capable de recharger la batterie à partir du 5V ou de son connecteur USB.
Un TP4056 est implanté sur la carte.

3.3.4. La WEMOS LOLIN D32


Cette carte est censée consommer 150µA en sommeil profond.

Elle dispose également d'un connecteur pour une batterie LITHIUM-ION ou LIPO. Elle est capable de recharger la batterie à partir de son connecteur USB.

3.3.5. La WEMOS LOLIN32 (ancienne version de la D32)
Cette carte est censée consommer 170µA en sommeil profond.

Elle dispose également d'un connecteur pour une batterie LITHIUM-ION ou LIPO. Elle est capable de recharger la batterie à partir de son connecteur USB.


3.4. Le sommeil profond

Le sommeil profond a un fonctionnement différent de celui de l'ESP8266.

L'ESP32 est capable de faire la distinction entre plusieurs sources de réveil :
  • un réveil par une GPIO (ext0)
  • un réveil par plusieurs GPIOs (ext1)
  • un réveil par le touchpad
  • un réveil par RTC
Il est possible d'activer l'une ou l'autre ou plusieurs.

Réveil par une GPIO (0, 2, 4, 12 à 15, 25 à 27, 32 à 39) :

esp_sleep_enable_ext0_wakeup(gpio, state);

Dans ce mode, les GPIOs peuvent bénéficier de résistances internes de pull-up ou pull-down :

#include <driver/rtc_io.h>
rtc_gpio_pullup_en(gpio);

rtc_gpio_pulldown_en(gpio);

Réveil par plusieurs GPIOs (32 à 39) :

esp_sleep_enable_ext1_wakeup(gpios, state);

Dans ce mode, les GPIOs devront être équipées de pull-up ou pull-down matérielles externes.

Réveil par le touchpad :

touchAttachInterrupt(pad, callback, threshold);
esp_sleep_enable_touchpad_wakeup();


Réveil par la RTC :

esp_sleep_enable_timer_wakeup(µs);

Activation du mode deep-sleep :

esp_deep_sleep_start();

Lors du réveil la fonction esp_sleep_get_wakeup_cause() sera appelée pour connaître la cause du réveil :

switch (esp_sleep_get_wakeup_cause()) {
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0:
      Serial.println("Wakeup by EXT0");
      break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1:
      Serial.println("Wakeup by EXT1");
      break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER:
      Serial.println("Wakeup by RTC");
      break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD:
      Serial.println("Wakeup by TouchPad");
      break;
}

Si le réveil par plusieurs GPIOs a été activé, il est possible de déterminer quelle GPIO a provoqué le réveil :

uint64_t wakeupBit = esp_sleep_get_ext1_wakeup_status();
if (wakeupBit & GPIO_SEL_33) {
  // GPIO 33 woke up
}
else if (wakeupBit & GPIO_SEL_34) {
  // GPIO 34
}


Et enfin, si le réveil par le touchpad a été activé, il est possible de déterminer quelle touche a provoqué le réveil :

touch_pad_t touchPin = esp_sleep_get_touchpad_wakeup_status();
switch(touchPin) {
  case 0  : Serial.println("Touch detected on GPIO 4"); break;
  case 1  : Serial.println("Touch detected on GPIO 0"); break;
  case 2  : Serial.println("Touch detected on GPIO 2"); break;
  case 3  : Serial.println("Touch detected on GPIO 15"); break;
  case 4  : Serial.println("Touch detected on GPIO 13"); break;
  case 5  : Serial.println("Touch detected on GPIO 12"); break;
  case 6  : Serial.println("Touch detected on GPIO 14"); break;
  case 7  : Serial.println("Touch detected on GPIO 27"); break;
  case 8  : Serial.println("Touch detected on GPIO 33"); break;
  case 9  : Serial.println("Touch detected on GPIO 32"); break;
  default : Serial.println("Wakeup not by touchpad"); break;
}


Nous allons partir du même exemple de client mail que pour l'ESP8266 :
  • un capteur de température (réveil cyclique)
  • un ou deux capteurs de passage PIR (réveil par GPIO)
Voici un petit schéma :

Comme vous pouvez le constater, par rapport au même schéma utilisant un ESP8266, celui-ci est beaucoup plus simple.

Les boutons poussoirs simulent les PIRs. Si de vrais capteurs PIR sont utilisés les résistances R2 et R3 sont inutiles.

Bien sûr, si l'on utilise une ESP-WROOM-32, seuls les boutons poussoirs doivent être câblés.

Si un seul bouton poussoir est utilisé sur GPIO33 :
Dans ce cas, connecter un bouton poussoir entre 3.3V et GPIO33, sans résistance de pull-down.

Si deux boutons poussoirs sont utilisés sur les GPIO32 et GPIO33 :
Dans ce cas, connecter deux boutons poussoirs entre 3.3V et GPIO32 et GPIO33, avec 2 résistances de pull-down.


3.4.1. Réveil par un ou deux PIR
Le problème est simplifié par rapport à l'ESP8266. Il est possible de spécifier sur quelle GPIO le processeur peut être réveillé. Dans l'exemple, GPIO_32 et GPIO_33 sont utilisées.

3.4.2. Possibilités
Contrairement à ce qui se passait sur l'ESP8266 le front montant ou descendant de la source de réveil peut être choisi.
Il n'y aura pas de modification hardware à apporter pour inverser le signal.

On pourra également activer des résistances internes de pull-up ou pull-down en cas de besoin.

Également il n'y aura pas besoin de maintenir le signal sur la ou les GPIOs si les impulsions de réveil sont courtes.

3.4.3. Réveil périodique
Ici également, il n'y a pas de modification hardware à réaliser pour prendre en compte le réveil par la RTC.

3.5. Le sketch

Le sketch suivant est prévu pour fonctionner dans deux modes :

Un seul bouton poussoir sur la GPIO33 :
Dans ce cas, connecter un bouton poussoir entre 3.3V et GPIO33, sans résistance de pull-down.
Commenter la ligne suivante :

//#define EXT1_WAKEUP

Deux boutons poussoirs sur les GPIO32 et GPIO33 :
Dans ce cas, connecter deux boutons poussoirs entre 3.3V et GPIO32 et GPIO33, avec 2 résistances de pull-down.
Décommenter la ligne suivante :

#define EXT1_WAKEUP

Le sketch :

#include <WiFi.h>
#include <rom/rtc.h>
#include <driver/rtc_io.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define SMTP_PORT     587
#define ONE_WIRE_PIN  5
#define SLEEP_TIME    (30*60)


#define EXT1_WAKEUP

#ifdef EXT1_WAKEUP
#define BUTTON_PIN_BITMASK 0x300000000
#endif

const char* ssid = "Livebox-XXXX";
const char* password = "XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX";
char server[] = "smtp.xxxxxx.xx";
// Change to your base64, ASCII encoded user
const char userID[] = "XxXx
XxXxXxXx";
// change to your base64, ASCII encoded password
const char userPWD[] = "Yy
YyYyYyYyYyYy";
// sender
const char sender[] = "sender@xxxxxx.xx";
// recipent
const char recipient[] = "xxxxx.xxxxxxxx@gmail.com";
 


WiFiClient client;
OneWire oneWire(ONE_WIRE_PIN  );
DallasTemperature DS18B20(&oneWire);

void setup()
{
  byte ret;
  uint64_t wakeup_pin_mask;

  Serial.begin(115200);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)   {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected");
  Serial.print("IPess: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  switch (esp_sleep_get_wakeup_cause()) {
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT0:
      ret = sendEmail("**** Motion Detected ****");
      break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_EXT1:
#ifdef EXT1_WAKEUP
      wakeup_pin_mask = esp_sleep_get_ext1_wakeup_status();
      if (wakeup_pin_mask & GPIO_SEL_32) {
        ret = sendEmail("**** Motion1 Detected ****");
      }
      if (wakeup_pin_mask & GPIO_SEL_33) {
        ret = sendEmail("**** Motion2 Detected ****");
      }
      else {
      }
      break;
#endif
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER:
      char temp[6];
      char s[32];
      dtostrf(getTemperature(), 5, 2, temp);
      sprintf(s, "**** temperture is %s ****", temp);
      ret = sendEmail(s);
      break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_TOUCHPAD:
      ret = sendEmail("**** TOUCH ****");
      break;
    case ESP_SLEEP_WAKEUP_ULP:
      ret = sendEmail("**** ULP ****");
      break;
    default:
      ret = sendEmail("**** Just Started ****");
      break;
  }
  Serial.print("Going into deep sleep for ");
  Serial.print(SLEEP_TIME);
  Serial.println(" seconds");
  delay(50);
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(1000000L * SLEEP_TIME);
#ifdef EXT1_WAKEUP
  esp_sleep_enable_ext1_wakeup(BUTTON_PIN_BITMASK, ESP_EXT1_WAKEUP_ANY_HIGH);
  // internal pull-ups not available !!!
#else
  esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_NUM_33, 1);
  rtc_gpio_pulldown_en(GPIO_NUM_33);
#endif
  esp_deep_sleep_start();
}

void loop()
{
}

byte sendEmail(const char *data)
{
  byte thisByte = 0;
  byte respCode;

  if (client.connect(server, SMTP_PORT) == 1) {
    Serial.println(F("connected"));
  } else {
    Serial.println(F("connection failed"));
    return 0;
  }
  if (!recv()) return 0;

  Serial.println(F("Sending HELLO"));
  client.println("EHLO www.example.com");
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending auth login"));
  client.println("auth login");
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending User"));
  client.println(userID);
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending Password"));
  client.println(userPWD);
  if (!recv()) return 0;
  Serial.print(F("Sending From ")); Serial.println(sender);
  client.print(F("MAIL From: ")); client.println(sender);
  if (!recv()) return 0;
  Serial.print(F("Sending To ")); Serial.println(recipient);
  client.print(F("RCPT To: ")); client.println(recipient);
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending DATA"));
  client.println(F("DATA"));
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending email"));
  client.print(F("To: ")); client.println(recipient);
  client.print(F("From: ")); client.println(sender);
  client.println(F("Subject: My first Email from ESP32\r\n"));
  client.print(F("From ESP32 N° "));
  uint64_t chipID = ESP.getEfuseMac();
  client.println((uint16_t)(chipID >> 32), HEX);
  Serial.println(data);
  client.println(data);
  client.println(F("."));
  if (!recv()) return 0;
  Serial.println(F("Sending QUIT"));
  client.println(F("QUIT"));
  if (!recv()) return 0;
  client.stop();
  Serial.println(F("disconnected"));
  return 1;
}

byte recv()
{
  byte respCode;
  byte thisByte;
  int loopCount = 0;
  while (!client.available()) {
    delay(1);
    loopCount++;
    if (loopCount > 10000) {
      client.stop();
      Serial.println(F("\r\nTimeout"));
      return 0;
    }
  }
  respCode = client.peek();
  while (client.available()) {
    thisByte = client.read();
    Serial.write(thisByte);
  }

  if (respCode >= '4') {
    //  efail();
    return 0;
  }
  return 1;
}

float getTemperature() {
  float tempC;
  do {
    DS18B20.requestTemperatures();
    tempC = DS18B20.getTempCByIndex(0);
    delay(100);
  } while (tempC == 85.0 || tempC == (-127.0));
  return tempC;
}


Le code est simplifié par rapport à celui de l'ESP8266.

Il vous faudra bien sûr remplacer certaines valeurs (ssid, password, etc.) comme dans l'exemple de l'ESP8266.

La directive suivante permet d'attendre un réveil sur les deux GPIOs 32 et 33 :

#define EXT1_WAKEUP

Si la directive est commentée, seule la GPIO 33 est surveillée :

// #define EXT1_WAKEUP

3.6. L'IDE ARDUINO

Il vous faudra bien entendu installer le support ESP32 :
https://github.com/espressif/arduino-esp32/blob/master/docs/arduino-ide/boards_manager.md

Il vous faut aussi installer deux librairies :
https://github.com/PaulStoffregen/OneWire.git
https://github.com/milesburton/Arduino-Temperature-Control-Library.git

De préférence installez la dernière version.

4. Conclusion

J'ai réalisé le montage ESP8266 avec un ESP8266-12E soudé sur une carte adaptatrice simple. Il consomme 19µA au repos.

Une batterie de 200mAH suffirait pour l'alimenter pendant plus d'un an en sommeil profond, mais comme ce montage se réveille toutes les 30 minutes, pour avoir une bonne idée de la consommation globale il faudra tenir compte de la consommation pendant les périodes d'éveil (connexion WIFI plus ou moins longue, temps de transmission, etc.).

L'électronique de déclenchement de réveil pour l'ESP8266 est conséquente, surtout si plusieurs entrées de réveil doivent être implémentées, alors que l'ESP32 n'a besoin d'aucun composant additionnel.

Pour l'instant le montage à base d'ESP32-WROOM-32 consomme trop : 3mA en deep-sleep. 
La carte choisie n'est pas adaptée à ce que j'avais l'intention de faire.

J'espère que ce petit document vous aidera.

Cordialement
Henri


5. Lien utiles

https://riton-duino.blogspot.com/2018/12/les-capteurs-de-temperature-humidite.html 
https://riton-duino.blogspot.com/2019/02/alimenter-un-arduino-sur-pile-ou.html
https://riton-duino.blogspot.com/2018/11/les-regulateurs-ldo.html
https://lastminuteengineers.com/esp32-deep-sleep-wakeup-sources/


6. Mises à jour

25/02/2019 : ajout 3. L'ESP32
26/02/2019 : ajout 1. Alimentation sur batterie
                              3.3.3. La FireBeatle
                              3.3.4. La WEMOS LOLIN D32
                              3.3.5. La WEMOS TTGO
                              ESP8266 : utilisation de 2 capteurs PIR
                              2.4.4. Remarques
27/02/2019 : 2.3.4. La carte ESP8266-01 : ajout chargement automatique

lundi 18 février 2019

Alimenter un ARDUINO sur Pile ou Batterie

Alimenter un ARDUINO sur Pile ou Batterie


Cet article vise à examiner en profondeur la possibilité d'alimenter un montage ARDUINO sur piles ou batteries.

Sur certains forums il est courant de devoir répondre à des question naïves :

J'alimente mon ARDUINO UNO avec une pile 9V. Celle-ci est vide au bout de 3 heures. Comment se fait-il ?

Je voudrais alimenter une carte relais en 5V via une pile 9V. Que me faut-il comme régulateur ?

Sur ma carte UNO, j'ai un lecteur RFID et un servo-moteur sur le 5V. Tout fonctionne très bien en alimentant par le câble USB mais en alimentant avec une pile 9V, le moteur tremblote à peine.

Afin de répondre immédiatement à ces questions : une pile 9V de 170mAH ne peut absolument pas fournir de courant important. De plus sa capacité vous garantit quelques heures de fonctionnement avec une carte ARDUINO UNO ou NANO sans moteur ni relais, et pas plus.

Tous les processeurs actuels peuvent fonctionner dans deux modes :

Mode éveillé
Le processeur tourne à sa vitesse normale et consomme plusieurs mA. Faire fonctionner un processeur dans ce mode sur batterie pendant une longue période requiert une batterie énorme :
Par exemple une UNO consommant 25mA de manière permanente demande une énergie conséquente : 600mAH par jour, 18000mAH par mois.

Mode veille
Activer le mode veille du processeur permet de le faire fonctionner en basse vitesse. Le réveil du processeur peut être effectué soit par le timer RTC ou une interruption sur une pin digitale.
Certains composants sur la carte peuvent consommer aussi :
  • LED power
  • régulateur
  • convertisseur USB / série
  • etc.
Pour correctement aborder un projet basse consommation il faudra de préférence choisir une carte ARDUINO PRO MINI modifiée, une STM32 BLUE PILL ou une carte à base de STM32 M0.
Par exemple une PRO MINI en mode veille consommant 5µA de manière permanente demande une énergie ridicule : 0.12mAH par jour, 3.6mAH par mois, 44mAH par an.

J'ai déjà écrit quelques articles sur la consommation des cartes ARDUINO et la PRO MINI :
https://riton-duino.blogspot.com/2018/12/consommation-dune-carte-arduino.html
https://riton-duino.blogspot.com/2018/02/arduino-pro-mini-basse-consommation.html

Je tiens à préciser que l'élaboration d'une solution basse consommation fonctionnant sur batterie requiert de bonnes connaissances aussi bien en matière d'électronique qu'en matière de logiciel.
Du matériel de mesure est souvent indispensable, tel un multimètre capable de mesurer des courants faibles de l'ordre du µA .
La suite de l'article n'est malheureusement pas accessible facilement au débutant.

1. Piles ou batteries

En dehors de fait que contrairement à une pile une batterie se recharge, il faut considérer les caractéristiques de chaque technologie, en particulier la tension nominale et maximale en fin de charge :

Technologie Recharge Tension nominale Tension maximale Tension minimale
Plomb Oui 2.1V 2.33V 1.8V (*)
Alcaline Non 1.5V

Ni-MH Oui 1.2V 1.4V 1.1V
LITHIUM-ION Oui 3.7V 4.2V 3V
LIPO Oui 3.7V 4.2V 3V
LiFePO4 Oui 3.3V 3.6V 2.5V

(*) certaines batteries cycliques acceptent de voir leur tension chuter à 1.6V.

Afin de protéger les circuits alimentés la tension de fin de charge sera prise en compte. La tension nominale n'est qu'indicative.

La tension minimale est celle en dessous de laquelle la batterie, si on la décharge trop profondément, subira des dommage souvent irréversibles.

1.1. Le choix

Le choix d'une pile ou d'une batterie devra tenir compte de certains paramètres :
  • tension et courant de service
  • environnement
  • prix
  • autonomie envisagée (périodicité de la recharge)
  • disponibilité des chargeurs

1.2. Les technologies

Les piles
Les piles ont le gros inconvénient de ne pas être rechargeables ce qui les désavantage d'un point de vue écologique et financier.

Elles ont par contre l'avantage d'un courant d'auto-décharge très faible.

Les batteries au plomb
Ces batteries ont un encombrement important et sont lourdes.

Ces batteries sont peu utilisées pour alimenter des montages n'ayant pas besoin directement d'une tension de 12V.

Elles sont cependant capables de fonctionner correctement par grand froid, ce qui les rend indispensables dans les applications censées fonctionner à l'extérieur.

Les batteries au plomb du type cyclique (chariot élévateur, fauteuil roulant, alimentation solaire, onduleur, etc.) supportent d'être fortement déchargées.
Les batteries au plomb classiques (batteries de voiture) ne le supportent pas.

Les batteries NI-MH
Le principal défaut des batteries NI-MH est leur effet mémoire. Cela réduit leur utilisation à des systèmes autonomes où la recharge de la batterie intervient lorsque celle-ci est vide ou presque.

Les nouvelles batteries NI-MH ont un taux d'auto-décharge faible. Il s'agit des batteries LSD (Low Self Discharge) :
  • Duracell Stay Charged
  • Varta Ready2Use
  • Sanyo Eneloop
  • Tenergy Centura
Elles sont vendues pré-chargées.

Les chargeurs du commerce sont nombreux, mais les modules chargeurs à intégrer dans un montage sont rares. Il est cependant possible d'en fabriquer à l'aide de circuits intégrés :
Ces circuits peuvent être laissés branchés en permanence sur la batterie, le courant de fuite de leur broche de mesure de la tension batterie est très faible : 1 µA à 5µA.

Les batteries LIPO et LITHIUM-ION
Ces batteries disposent d'un rapport capacité / encombrement important.

Les LIPO sont le plus souvent plates et peuvent se glisser facilement dans un boîtier.

Les chargeurs du commerce sont nombreux, et le choix de modules chargeurs à intégrer dans un montage est large.

Les batteries LIFEPO4
Ces batteries disposent aussi d'un rapport capacité / encombrement important.

Elles ont le gros avantage de fournir une tension maximale de 3.6V compatible avec un grand nombre de processeurs, circuits et modules du marché.

2. Tension et courant de service

Choisir une technologie passe par la connaissance des composants que l'on va devoir alimenter. Il faut étudier les datasheets de chacun d'eux afin de déterminer la tension optimale et les courants consommés.

Je vous propose quelques exemples. Pour plus de précisions à propos des composants, suivre les liens :


Module Tension d'alimentation Courant nominal Courant de veille
ARDUINO UNO NANO 4V - 6V 25mA 6mA
ARDUINO PRO MINI 2.7V - 6V 5.5mA 1.4mA
ARDUINO PRO MINI modifiée 2.7V - 6V 5.5mA 5µA
STM32 BLUE PILL 2V - 3.6V 15mA @ 16MHz
50mA @ 72MHz
1.4µA
Capteurs température et humidité 1.4V - 5V 10µA - 600µA 0.1µA - 50µA
Capteur de présence 3.3V - 12V 260µA 60µA
NRF24L01 1.9V - 3.6V 12mA 1µA
RFM95 1.8V - 3.7V 120mA 1µA
HC-05 1.8V - 3.6V 40mA 8mA
ESP8266 (1) 2.5V - 3.6V 80 - 170mA 20µA (2)
ESP32 (1) 2.3V - 3.6V 80 - 240mA 5µA
ESP01 (carte) 2.3V - 3.6V 80 - 240mA 30µA (3)

(1) Il s'agit de la consommation du module seul :
Les cartes ESP8266 du genre NodeMCU consomment forcément plus.
Pour utiliser un module ESP8266 sur breadboard sans composants annexes, il existe des cartes nues :

(2) La datasheet précise : 20µA à 2.5V, mais j'ai essayé un ESP-12E sous 3.3V qui avait une consommation de 19µA en deep-sleep.

(3) Il s'agit d'un ESP01 sur lequel la LED rouge a été éliminée. Cela se fait très facilement en la faisant sauter avec l'ongle :
Attention : pendant la phase de connexion au réseau WIFI, un ESP8266 ou ESP32 peut consommer jusqu'à plus de 400mA.

Choix de la batterie
La tension de service de la batterie devra être la plus proche possible de celle requise par le module le plus exigeant en matière de tension.
Si par exemple le besoin est d'alimenter un ARDUINO PRO MINI et un NRF24L01, la batterie devra fournir au minimum 2.7V et au maximum 3.6V.

1er choix possible : LITHIUM-ION (tension mini 3V, tension maxi 4.2V)
Le NRF24L01 ne supportera pas la tension maximale. Un régulateur 3.3V sera utilisé.
Comme l'ARDUINO PRO MINI peut se contenter de 3.3V, le régulateur pourra alimenter les deux composants.
Le NRF24L01 fonctionnera encore lorsque la batterie atteindra sa tension minimale de 3V, ainsi que l'ARDUINO.

2ème choix possible : LifePo4 (tension mini 2.5V, tension maxi 3.6V)
L'ARDUINO et le NRF24L01 peuvent être alimentés sans danger avec cette batterie et ceci sans régulateur.
Le NRF24L01 fonctionnera encore lorsque la batterie atteindra sa tension minimale de 2.5V.  L'ARDUINO décrochera à 2.7V.
Ce montage ne permet pas de profiter totalement de la capacité de la batterie.
On pourrait envisager de remplacer la PRO MINI par une STM32 BLUE PILL qui elle fonctionnera encore sous 2V.

3ème choix possible : 3 x NI-MH (tension mini 3.3V, tension maxi 4.2V)
Le NRF24L01 ne supportera pas la tension maximale. Un régulateur 3.3V sera utilisé.
Comme l'ARDUINO PRO MINI peut se contenter de 3.3V, le régulateur pourra alimenter les deux composants.
Le NRF24L01 fonctionnera encore lorsque la batterie atteindra sa tension minimale de 3.3, ainsi que l'ARDUINO.

4ème choix possible : 2 x NI-MH (tension mini 2.2V, tension maxi 2.8V)

L'ARDUINO et le NRF24L01 peuvent être alimentés sans danger avec ces batteries et ceci sans régulateur.
Le NRF24L01 fonctionnera encore lorsque la batterie atteindra sa tension minimale de 2.2V. L'ARDUINO décrochera à 2.7V.
Ce montage ne permet absolument pas de profiter de la capacité de la batterie.
On pourrait envisager de remplacer la PRO MINI par une STM32 BLUE PILL qui elle fonctionnera encore sous 2V.

3. Besoins en matière de régulation

En fonction des composants et de la batterie choisis les besoins en matière de régulation peuvent être différents.

Comme on le voit dans le tableau précédent, certains modules supportent au maximum 3.6V et il est hors de question de les alimenter en 5V ou directement par une batterie LITHIUM-ION qui fournira une tension de 4.2V à pleine charge.

La batterie LiFePO4 peut être une solution intéressante.

Si l'on utilise une LITHIUM-ION il faudra obligatoirement intercaler un régulateur entre celle-ci et les modules.
Vous trouverez un large choix ici:
https://riton-duino.blogspot.com/2018/11/les-regulateurs-ldo.html

4. Environnement

En fonction de l'environnement et surtout de la température, certains choix s'imposent :
Pratiquement, seules les batteries au plomb sont capables de fonctionner correctement par grand froid.
Il faudra bien étudier la datasheet de la batterie avant de faire son choix.

5. Autonomie

Avant tout, attention : les batteries LITHIUM-ION chez ALI-EXPRESS ou autre chinoiseries sont annoncées avec des capacités délirantes.
J'ai par exemple testé des batteries 18650 6000mAH qui font en réalité moins de 1000mAH.
Voir ICI

En fonction des choix effectués, le besoin en autonomie sera extrêmement variable.
Considérons 3 modes de fonctionnement possibles :
  • mode autonome
  • recharge périodique
  • recharge permanente
Mode autonome
Le montage est alimenté par une batterie et celle-ci est rechargée manuellement lorsque sa capacité atteint son minimum.

En fonction des technologies, certains choix de batterie vont s'imposer :

Une batterie au plomb classique sera inadaptée. Ces batteries ne supportant pas d'être déchargées en dessous de 1.8V par élément.

Tous les autres types de batterie peuvent convenir.

Recharge périodique
Le montage est alimenté par une batterie rechargée périodiquement, par exemple par un chargeur solaire.

Là aussi, en fonction des technologies, certains choix de batterie seront à proscrire :

Une batterie NI-MH sera inadaptée. Ces batteries ne supportant pas d'être rechargées si la capacité restante est trop élevée (effet mémoire). Une batterie au plomb classique peut convenir à condition que la tension ne descende pas en dessous de 1.8V par élément.

Tous les autres types de batterie peuvent convenir.

La durée de fonctionnement entre deux recharges sera déterminante pour le choix de la capacité de la batterie.
Dans le cas d'une recharge par panneau solaire, on prendra en compte :
  • la durée maximale d'ensoleillement journalier (courte en hiver)
  • la durée maximale d'ensoleillement réduit (temps couvert)
Pendant une période de temps couvert, un panneau solaire peut fort bien ne  fournir que 10% de sa puissance nominale.

Recharge permanente
Le montage est alimenté par une batterie rechargée en permanence, par exemple par un chargeur secteur.
Ce type d'alimentation convient dans le cas où l'on a besoin d'une alimentation de secours en cas de disparition de la tension secteur. La batterie sert de tampon.

Pratiquement, seule une batterie au plomb peut convenir. On appelle ce type de charge "floating". Il est préférable d'investir dans une batterie cyclique si les coupures secteur envisagées sont de longue durée.

Tous les autres types de batterie sont à éviter.

On peut aussi utiliser une super-capacité comme réserve tampon.

5.1. Mode veille ou non

Quand le choix des composants est fait, il va falloir premièrement déterminer si le fonctionnement en mode veille est possible.

Certains composants comme le HC-05 n'en possèdent pas.

Certains autres composants comme le NRF24L01, le RFM95, les ESP8266 et ESP32 en possèdent un mais il est évidemment activable uniquement si le module est utilisé en mode client. En mode serveur, la réception est activée en permanence, donc le mode veille n'est pas activable.

Pour développer une solution basse consommation, le mode veille du micro-contrôleur doit être activé, mais aussi celui des modules qui en possèdent un.

Généralement on considère que si le mode veille n'est pas activable, la possibilité d'alimenter un processeur à l'aide d'une batterie en mode autonome est fortement compromise.
En effet si l'on considère qu'un ARDUINO NANO consomme une trentaine de mA en étant éveillée en permanence, la consommation d'énergie sera de :

30 * 24 * 365 = 262800mAH par an

Soit l'équivalent de 100 batteries 18650 de 2600mAH chacune.

En faisant le calcul dans l'autre sens, une batterie de 2600mAH aura une autonomie égale à :

2600 / 30 / 24 = 3.6 jours

L'alimentation d'une carte de ce type sans mode veille est bien sûr envisageable mais pas de manière permanente.

Mon voltmètre / ampèremètre USB peut être alimenté par deux batteries 18650, mais il est équipé d'un interrupteur marche / arrêt.

5.2. Bilan des consommations

Le bilan des consommations va directement permettre de déterminer la capacité de la batterie. Ce bilan se décompose ainsi :
  • le courant en mode veille
  • le courant en mode éveillé, qui est périodique
Exemple N°1
Prenons comme exemple un capteur de température autonome alimenté par une batterie LITHIUM-ION.

Le courant en mode éveillé sera équivalent à :
  • ARDUINO PRO MINI modifié : 5.6mA
  • capteur DS18B20 : 4mA
  • module NRF24L01 : 12mA
  • régulateur LM2936 : 15µA
La lecture de la température sur le DS18B20 et l'émission du résultat par le NRF24L01 ne se produiront pas simultanément. On peut donc dire que le courant maximal sera d'environ 18mA.
Le courant va varier énormément entre le moment où le processeur va se réveiller, mesurer la température et émettre le résultat. Sans un appareil de mesure adéquat, cela va être difficile à estimer.

Après quelques mesures à l'aide d'un banc de mesure de consommation (voir paragraphe suivant) on peut estimer que la phase de réveil va durer un trentaine de ms et le courant moyen sera de 10mA.
L'émission a lieu 4 fois par heure pendant 30ms, donc 120ms au total, ce qui représente 1/30000è d'heure.
La consommation en mode éveillé est donc de 10mAH / 30000 = 0.333µAH.

Le courant en mode veille sera équivalent à :
  • ARDUINO PRO MINI modifié : 5µA
  • capteur DS18B20 : 1µA
  • module NRF24L01 : 1µA
  • régulateur LM2936 : 15µA
La consommation en mode veille est donc de 22µA.

Fixons-nous un objectif d'autonomie : 365 jours.

Le bilan de consommation d'énergie sera le suivant :
Consommation d'énergie en mode veille : 22µAH x 24 x 365 = 192mAH
Consommation d'énergie en mode éveillé : 0.33µAH x 24 x 365 = 3mAH
Nous obtenons donc un total de 195mAH.

En prenant en compte le fait qu'une batterie LITHIUM-ION a un léger courant d'auto-décharge, une batterie de 250mAH sera parfaitement à l'aise dans ce montage.

Cela nous conduit à adopter une batterie au format 16340 (ou CR123), intéressante pour son faible encombrement, ou une petite LIPO.

Exemple N°2
Imaginons que nous remplacions la PRO MINI par une NANO. Nous ne pourrons pas l'alimenter par une batterie de 3.7V. Il en faudra 2 et alimenter par la broche VIN.

Le courant en mode éveillé sera équivalent à :
  • ARDUINO NANO : 32mA
  • capteur DS18B20 : 4mA
  • module NRF24L01 : 12mA
  • régulateur LM2936 : 15µA
On estime que le courant moyen sera de 35mA.

La consommation en mode éveillé est donc de 35mAH / 30000 = 1.16µAH.

Le courant en mode veille sera équivalent à :
  • ARDUINO NANO : 12.5mA
  • capteur DS18B20 : 1µA
  • module NRF24L01 : 1µA
  • régulateur LM2936 : 15µA
La consommation en mode veille est donc de 12.5mA.

Pour un objectif d'autonomie de 365 jours le bilan de consommation d'énergie sera le suivant :
Consommation d'énergie en mode veille : 12.5mAH x 24 x 365 = 109000mAH
Consommation d'énergie en mode éveillé : 1.16µAH x 24 x 365 = 10mAH
Nous obtenons donc un total de 109010mAH.

Ce n'est pas la peine d'aller plus loin. Il faudrait une batterie de camion. Le fonctionnement en mode autonome pour ce genre de cas est inadapté. Autant adopter une alimentation secteur ou un rechargement par énergie solaire.

Exemple N°3
Un détecteur de passage autonome alimenté par une batterie LITHIUM-ION.

Le capteur de présence HC-SR501 consomme 60µA en mode veille, ce qui est nettement supérieur au 1µA d'un DS18B20. On peut déjà dire que la batterie de ce montage devra avoir capacité supérieure si l'on veut disposer d'une autonomie d'un an.

Le principe de calcul sera le même que pour l'exemple N°1, sauf qu'il va vous falloir estimer le nombre de passages dans la journée pour calculer la dépense d'énergie en mode éveillé.

5.3. Le TPL5110

Vous avez un montage à base d'ARDUINO classique 5V (UNO, NANO) et vous aimeriez l'alimenter par batterie.
Si ce montage effectue une tâche périodique et passe la majeure partie de son temps à ne rien faire, tout n'est pas perdu :


Le TPL5110 est un circuit temporisateur. Il permet d'alimenter un montage périodiquement, avec une période allant de 100ms jusqu'à deux heures.

Ce module AdaFruit consomme 20µA.
Il embarque un MOSFET canal P DMG3415 pouvant délivrer 4A.


Ce schéma comporte 2 batteries 3.7V et un régulateur 5V pouvant délivrer 250mA. Ce régulateur consomme 4µA au repos.
Si vous avez besoin de plus ou moins de courant, il peut être remplacé par d'autres modèles :
  • HT7150 : 30mA (2.5µA de courant de repos)
  • HT7550 : 100mA (2.5µA de courant de repos)
  • HT7850 : 250mA (4µA de courant de repos)

Lorsque votre montage a terminé son travail, il n'a plus qu'à le signaler par la broche DONE (5V) pour couper l'alimentation.

Cela implique une légère modification de votre montage :
- un petit fil à ajouter
- une petite modification du logiciel

6. Vérification

Après avoir élaboré le montage électronique et le code, il va falloir procéder à la vérification de la consommation.

Quel moyen utiliser ?

Un banc de mesure comme celui-ci est très appréciable :
https://riton-duino.blogspot.com/2018/07/banc-de-mesure-de-consommation.html
Ou bien celui-ci :
https://riton-duino.blogspot.com/2018/11/usb-un-voltmetre-amperemetre.html

Sinon, on peut utiliser un multimètre. Celui-ci ne sera pas capable cependant de tracer une courbe de consommation sur la durée, à moins d'investir dans un multimètre haut de gamme.

Une recommandation :
On ne mesure jamais la consommation d'un processeur avec un multimètre sur le calibre µA.
La résistance du shunt est trop importante et empêche le processeur de démarrer et encore plus de démarrer le WIFI si c'est un ESP8266 ou un ESP32.

Mon multimètre (20000 points) a une résistance (shunt) de 3Ω sur le calibre mA. Sur le calibre µA il passe à 100Ω.
Un ESP8266 qui démarre consomme au minimum 300 mA et jusqu'à plus de 400.
Avec un shunt de 100Ω en série il ne démarrera jamais.
Un shunt de 3Ω produira une chute de 1V. Il n'est même pas sûr que le démarrage s'effectue (on peut peut-être améliorer la chose avec un gros condensateur en parallèle sur les broche 5V et GND ?).

Pour mesurer la consommation d'un processeur en mode veille, on peut placer un bouton-poussoir en parallèle sur le multimètre :

Appuyer sur le bouton-poussoir pendant la phase de démarrage et le relâcher une fois que l'on est sûr que le processeur est en mode veille.

7. Surveillance

Une fois que le montage est en situation réelle, la surveillance de la tension batterie est vitale pour la durée de vie de celle-ci. Cette surveillance sera de préférence automatisée, c'est à dire que le micro-contrôleur devra mesurer la tension de la batterie périodiquement.
La tension de la batterie peut être utilisée afin de déterminer la capacité restante.

Pour une batterie LITHIUM-ION :
  • 4.2V : 100%
  • 3.85V :  75%
  • 3.42V : 25%
  • 3.0V : 3%
Cette information peut être utilisée de différentes manières :
  • faire clignoter une LED
  • activer un buzzer
  • remonter l'information à un serveur
  • refuser d'assurer le fonctionnement
  • etc.
Faire clignoter une LED ou faire retentir un buzzer est possible tant que le courant moyen consommé est faible. A partir du moment où la batterie a atteint son seuil critique de tension minimale admissible, il vaut mieux ne plus avertir, car cela entraînerait le décès de la batterie.

7.1. Mesure

La mesure de la tension de la batterie doit être effectuée à l'aide de l'ADC du micro-contrôleur. La mesure d'une tension batterie doit être précise.
Avec un ARDUINO, deux cas peuvent se présenter :

La tension d'alimentation est égale à la tension de la batterie
Ce cas est rare. Il correspond par exemple à l'utilisation de deux piles 1.5V ou une batterie de 3.7V pour alimenter un ARDUINO PRO MINI et des modules supportant cette tension, sans régulateur.
Dans ce cas, la tension d'alimentation peut être mesurée directement sans composant supplémentaire à l'aide de ce code (provenant d'ICI) :

#define VREF                  1.1 
unsigned int analogReadReference(void)
{
  /* Elimine toutes charges résiduelles */
  ADMUX = 0x4F;
  delayMicroseconds(5);
  /* Sélectionne la référence interne à 1.1 volts comme point de mesure */
  ADMUX = 0x4E;
  delayMicroseconds(200);
  /* Active le convertisseur analogique -> numérique */
  ADCSRA |= (1 << ADEN);
  /* Lance une conversion analogique -> numérique */
  ADCSRA |= (1 << ADSC);
  /* Attend la fin de la conversion */
  while(ADCSRA & (1 << ADSC));
  /* Récupère le résultat de la conversion */
  return ADCL | (ADCH << 8);
}


void loop() {
  float voltage = (1023 * VREF) / analogReadReference();
}

La tension de la référence interne est peu précise (10%).
Celle-ci peut être mesurée sur la broche VREF de l'ARDUINO lorsque ce code s'exécute. On prendra soin de modifier la valeur de VREF dans le code afin d'obtenir une plus grande précision.

La tension d'alimentation est inférieure à la tension de la batterie
Dans ce cas, la tension d'alimentation doit être mesurée à l'aide d'un pont diviseur, car sinon, l'entrée de l'ADC sera saturée ou endommagée :
Il est possible et même conseillé d'utiliser des valeurs de résistance importantes afin de minimiser la consommation du pont diviseur.
Une valeur proche du MΩ aura une consommation de 3.3µA sous 3.3V, c'est à dire supérieure à celle du microcontrôleur.
Attention cependant : choisir une valeur très élevée (10MΩ par exemple) rendra la mesure très sensible aux perturbation électromagnétiques.

La tension sur l'entrée analogique doit être inférieure à la tension de référence.

Exemple :
On mesure une tension de batterie LITHIUM-ION (3.7V nominaux mais 4.2V à pleine charge) :

Ue = tension d'entrée
Us = tension de sortie
Sur le schéma :
R2 = 1MΩ
R3 = 330KΩ
Le rapport du pont diviseur est de 330000 / (1000000 + 330000) = 0.248
Us = Ue * R3 / (R2 + R3) = 4.2 * 330000 / (1000000 + 330000) = 1,042V
1.04V est en dessous de 1.1V -> c'est OK
Le courant consommé par le pont diviseur sera de :
Courant = Ue / (R2 + R3) = 4.2V / (1000000 + 330000) = 3µA

On mesurera la tension de la batterie comme ceci :

#define VREF                  1.1  // à mesurer au multimètre sur la broche VREF

  unsigned int adc = analogRead(0);
  // 0.248 = rapport du pont diviseur
  float v = adc * VREF / 1023 / 0.248;

Influence de la température
La tension de la référence interne varie également en fonction de la température, et elle varie de façon non linéaire :
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/doc8060.pdf

Cela ne va pas être facile d'obtenir une mesure fiable en extérieur, à moins d'utiliser une tension de référence externe précise et variant peu en fonction de la température.

On peut utiliser un très bon régulateur comme source de tension d'alimentation et il peut servir en même temps de tension de référence.
La tension du régulateur HT7533-1 par exemple varie de 0.5mV par degré.
Entre -10° et 40° on obtiendra 25mV de variation, ce qui est acceptable.

On pourrait l'utiliser comme référence pour l'ADC. Nous n'utilisons plus la référence interne 1.1V mais la référence par défaut : 3.3V.
La tension sur l'entrée analogique doit être inférieure à la tension de référence.
Il faut recalculer le pont diviseur :

R2 = 390KΩ
R3 = 1MΩ
Le rapport du pont diviseur est de 1000000÷(390000+1000000) = 0.719
Us = Ue * R3 / (R2 + R3) = 4,2×1000000÷(390000+1000000) = 3.02V
3.02V est en dessous de 3.3V -> C'est OK

Éventuellement on peut mesurer la tension du régulateur au froid (frigo) et au chaud (radiateur) tout en mesurant la température avec un thermomètre pour appliquer une petite correction dans le logiciel.

Détermination de la capacité

Le calcul de la capacité restante peut être effectué comme ceci, à l'aide d'une table. Le code inclut la mesure de la tension :

#define VREF                  1.1  // à mesurer au multimètre sur la broche VREF
 
struct batteryCapacity
{
  float voltage;
  int capacity;
};

const batteryCapacity remainingCapacity[] = {
  4.20,   100,
  4.10,   96,
  4.00,   92,
  3.96,   89,
  3.92,   85,
  3.89,   81,
  3.86,   77,
  3.83,   73,
  3.80,   69,
  3.77,   65,
  3.75,   62,
  3.72,   58,
  3.70,   55,
  3.66,   51,
  3.62,   47,
  3.58,   43,
  3.55,   40,
  3.51,   35,
  3.48,   32,
  3.44,   26,
  3.40,   24,
  3.37,   20,
  3.35,   17,
  3.27,   13,
  3.20,   9,
  3.1,    6,
  3.00,   3,
};

const int ncell = sizeof(remainingCapacity) / sizeof(struct batteryCapacity);


unsigned int getBatteryCapacity(void)
{

  analogReference(INTERNAL);
  unsigned int adc = analogRead(0);
  float voltage = adc * VREF / 1023 / 0.248;
  for (int i = 0 ; i < ncell ; i++){
    if (voltage > remainingCapacity[i].voltage) {
      return remainingCapacity[i].capacity;
    }
  }
  return 0;
}


Si l'on utilise la première méthode de mesure sans pont diviseur, le code sera celui-ci :

unsigned int getBatteryCapacity(void)
{

  float voltage = (1023 * VREF) / analogReadReference();
  for (int i = 0 ; i < ncell ; i++){
    if (voltage > remainingCapacity[i].voltage) {
      return remainingCapacity[i].capacity;
    }
  }
  return 0;
}



8. Recharge

Le choix d'un chargeur - surtout  NI-MH - est critique. Il doit être automatique et précis. Il ne s'agit pas de détruire les batteries mais de les charger.

La recharge de la batterie va pouvoir s'opérer de différentes manières :
  • remplacement des batteries
  • chargeur extérieur
  • chargeur intégré

8.1. Remplacement des batteries

Ce mode de recharge et bien adapté aux batteries NI-MH, LITHIUM-ION, LIPO ou LifePo4, en utilisation autonome.

Les batteries vides sont remplacées par des batteries pleines. Cela suppose de pouvoir les démonter facilement, et le montage doit être équipé d'un support de batterie facilement accessible.

On utilise un chargeur du commerce pour recharger les batteries vides.

Un très bon chargeur NI-MH : le VoltCraft IPC-1-L :


Deux très bons chargeurs LITHIUM-ION :
Le Xtar MC2 :
Le Xtar VC4 :

 

8.2. Chargeur extérieur

Ce mode de recharge et adapté à tout types de batteries, en utilisation autonome ou recharge périodique.

Un connecteur de recharge doit être prévu sur le montage où l'on vient brancher le chargeur en cas de besoin.

Un très bon chargeur : le IMAX B6
Il est capable de charger des batteries NI-MH, LITHIUM-ION et LIPO.
Il est pourvu de connecteurs d'équilibrage.

Pour une batterie au plomb, choisir le chargeur en fonction de la capacité de la batterie. Il doit délivrer un courant équivalent au 1/10ème de la capacité de celle-ci.
Un chargeur de batterie au plomb doit être compensé en température car la tension de fin de charge varie en fonction de celle-ci.

8.3. Chargeur intégré

Ce mode de recharge et bien adapté aux batteries Plomb, LIPO et LITHIUM-ION, en utilisation autonome, recharge périodique ou permanente.

Pour une batterie plomb utilisée en floating, on trouve facilement des chargeurs secteur adaptés.

Les batteries NI-MH sont difficilement rechargeables par ce moyen. On ne trouve pas de modules adaptés ou très peu, et pour un seul élément. Il est cependant possible d'en fabriquer un à l'aide de circuits intégrés :
Pour les batteries LITHIUM-ION, on trouve d'excellents modules, par exemple à base de TP4056, capable de fournir 1A :
Il peut facilement être intégré dans un montage ou soudé sur un PCB. Pour recharger la batterie on branche sur le connecteur USB un petit chargeur de téléphone mobile.

Il est possible de charger des batteries 16340 de faible capacité avec ce chargeur, en utilisant une source 5V limitée en courant.

Le module peut être laissé connecté en permanence sur la batterie car il consomme très peu sur celle-ci : quelques µA.

On peut lui appliquer en entrée une tension maximale de 8V. Cette tension peut par exemple provenir d'un panneau solaire 5V.

L'idéal avec les batteries LITHIUM est d'arriver à 20% de décharge avant d'enclencher la recharge.
Cela n'empêche pas que l'on puisse les décharger entièrement, sans descendre toutefois en dessous de la barre des 3V. Descendre en dessous peut être destructeur.
Laisser la batterie en charge permanente n'est pas très bon pour sa durée de vie. Mais normalement avec le TP4056 ce n'est pas le cas.

8.3.1. Le TP4056 en test
J'ai réalisé quelques essais :
  • un TP4056
  • une batterie 18650 sur la sortie BAT
  • une résistance de 200KΩ sur la sortie OUT
  • un voltmètre sur la sortie OUT
  • recharge par USB avec ampèremètre en série
La résistance consomme 20µA, c'est à dire l'équivalent d'un ESP8266 en mode veille.

En recharge :
La LED rouge du TP4056 est allumée. En fin de charge l'ampèremètre USB mesure un courant de 100mA.
Le TP4056 coupe la charge lorsque la tension arrive à 4.23V. La LED bleue s'allume.
La sortie OUT ne se coupe pas, en tous cas pas dans cette configuration.

En décharge :
Une résistance de 10Ω est branchée sur la sortie OUT.
La LED rouge du TP4056 reste éteinte. L'ampèremètre USB mesure un courant de 0mA, ce qui prouve que la charge ne démarre pas.
Le TP4056 ré-enclenche la recharge lorsque la tension chute à 4.07V, ce qui correspond à 95% de capacité.
Ce n'est pas l'idéal, mais c'est mieux que rien.

L'idéal serait d'imaginer un mécanisme à base de comparateur, qui autoriserait la recharge à partir du moment où il reste 80% de capacité, ce qui correspond grosso modo à 3.9V.

Le TP4056 possède une patte CE (chip enable) qui met le chargeur hors service lorsqu'elle est à zéro.

Malheureusement cette patte n'est pas accessible sur les modules du commerce. Elle est reliée au +5V.
Il devrait être possible de dessouder cette patte de la carte et d'y souder un petit fil que l'on piloterait par une sortie du microcontrôleur en fonction de la tension de la batterie.

9. Attention : danger

Une batterie est capable de délivrer des courants importants, plus de 20A pour une 18650 courante.
Lorsque l'on élabore un montage devant fonctionner sur batterie un court-circuit peut être particulièrement destructeur.
Le montage doit être vérifié avant d'être mis sous tension. On vérifiera en priorité l'absence de court-circuit entre les bornes de d'alimentation, surtout s'il s'agit d'un PCB que l'on a fabriqué soi-même.

10. Conclusion

Je vous ai exposé le fruit de pas mal d'années de pratique en matière d'électronique et de logiciel embarqué basse consommation. J'espère que cela vous sera utile.

Quelques montages sur batterie sont proposés sur ce blog, ainsi que d'autres articles traitant de batteries :

https://riton-duino.blogspot.com/2018/01/un-thermometre-mysensors-sur-batterie.html
https://riton-duino.blogspot.com/2019/05/un-thermometre-hygrometre-mysensors-sur.html
https://riton-duino.blogspot.com/2018/04/un-detecteur-de-mouvement-mysensors-sur.html
https://riton-duino.blogspot.com/2018/05/batteries-lithium-ion.html
https://riton-duino.blogspot.com/2018/10/batteries-lithium-ion-recharge-en-serie.html

Cordialement
Henri

11. Mises à jour

24/06/2019 :  8.3.1. Le TP4056 en test
12/07/2019 :  5.3. Le TPL5110
02/05/2020 :  9. Attention : danger