Robo Věda

Web nejen o robotice

Solární panel jako meteorologický senzor

Reklama:

Moderní domácí meteostanice využívají stále sofistikovanější senzory pro měření meteorologických parametrů. Jedním z nejzajímavějších přístupů je využití solárního panelu nejen jako zdroje energie, ale také jako duálního senzoru pro měření intenzity slunečního svitu a detekci východu či západu slunce. Tento článek představuje kompletní návrh kompaktní meteorologické stanice založené na low-power mikrokontroléru ESP32, která kombinuje tradiční meteorologické senzory s inovativním využitím fotovoltaického panelu.

Seznam součástek a jejich odůvodnění

Hlavní mikrokontrolér:

  • ESP32-C3 - Varianta s vestavěným WiFi a Bluetooth, ultra-nízkou spotřebou v deep sleep režimu (~10 µA) a schopností probuzení prostřednictvím externích signálů1 2. Cenově dostupný a s rozsáhlou softwarovou podporou3.

Meteorologické senzory:

  • BME280 - Kombinovaný senzor pro měření teploty, vlhkosti a atmosférického tlaku s extrémně nízkou spotřebou 3,6 µA při měření všech parametrů a pouze 0,1 µA v sleep režimu4 5. Komunikace přes I²C, vysoká přesnost (±3% relativní vlhkost, ±0.5°C teplota)4.

Fotovoltaický senzor:

  • 3x Malý solární panel 2V/160mA - Slouží dvojí funkci: napájení systému a měření intenzity světla. Panel tohoto výkonu je ideální pro ADC měření (maximální výstup 2V je bezpečný pro 3,3V systémy) a zároveň poskytuje dostatečnou citlivost pro detekci změn osvětlení6 7.

Napájecí systém:

  • LiPo baterie 3,7V/2000mAh s JST-PH2.0 konektorem pro dlouhodobý provoz
  • CN3791 MPPT nabíjecí modul nabíječka pro 6V panely
  • Zatěžovací rezistor 10kΩ paralelně k solárnímu panelu pro přesnější měření napětí v různých světelných podmínkách6

Ochranné prvky:

  • IP65 voděodolná krabička 82×80×55mm pro venkovní instalaci8
  • Schottkyho dioda pro ochranu před zpětným tokem proudu

Způsob zapojení MCU a solárního panelu

Elektrické zapojení solárního panelu:

Solární panel je zapojen ve duálním režimu - současně jako zdroj energie i jako senzor světla:

  1. Napájecí větev: 3x panel 2V (série) → 6V → CN3791 MPPT → Baterie → ESP32
  2. Senzorická větev: Jeden Panel → Zatěžovací rezistor 10kΩ (paralelně) → ADC pin ESP32 (GPIO2)

Důvody tohoto zapojení:

  • Zatěžovací rezistor je klíčový pro přesné měření6 9. Bez zátěže by panel vykazoval vysoké napětí i při slabém osvětlení, což by vedlo k nepřesným měřením. Rezistor 10kΩ zajišťuje lineární závislost napětí na intenzitě světla.
  • Schottkyho dioda zabraňuje vybíjení baterie přes panel v noci
  • Měření napětí místo proudu je praktičtější pro MCU - panel jako fotovoltaický senzor mění především proud při změně osvětlení, ale s připojenou zátěží se tato změna promítne do měřitelné změny napětí9.

Detekce východu/západu slunce: Systém využívá prahové hodnoty podobně jako komerční meteostanice10. Při překročení nastaveného prahu (například 0,3V z ADC) systém zaznamená východ slunce, při poklesu pod tento práh zaznamená západ.

Klasifikace počasí:

  • Jasno: >1,5V z panelu (odpovídá >50 000 lx)10
  • Polojasno: 0,8-1,5V (odpovídá 20 000-50 000 lx)
  • Oblačno: 0,3-0,8V (odpovídá 5 000-20 000 lx)
  • Noc/stín: <0,3V

Příklady podobných aplikací

Arduino-based řešení: Projekt "NaTaLia Weather Station" využívá Arduino s 433MHz RF přenosem a solárním napájením11. Přenos dat probíhá každých 10 minut, systém kombinuje DHT22 pro teplotu/vlhkost a fotoresistor pro měření světla. Výhodou je robustnost, nevýhodou vyšší spotřeba kvůli Arduino architektuře.

LoRaWAN meteostanice: Řešení od X-TELIA využívá LoRaWAN komunikaci s dosahem až 15 km v rurálních oblastech12. Systém dokáže uložit až 19 000 záznamů místně a přenést je při obnovení připojení. Využívá Arduino Pro Mini 3,3V/8MHz s RFM95W modulem13. Toto řešení je ideální pro vzdálené lokace bez WiFi pokrytí.

ESP32 low-power projekty: GitHub projekt "esp32-weather-epd" dosahuje spotřeby pouze 14µA v sleep režimu s probuzením každých 30 minut14. Využívá E-Paper displej pro zobrazení dat a baterii 5000mAh s výdrží 6-12 měsíců. Podobný přístup můžeme aplikovat i v našem návrhu.

Komerční IoT stanice: Systémy jako "IoT-Based Weather Monitoring Station" využívají kombinaci senzorů (LDR, BMP180, DHT11) s NodeMCU ESP8266 a odesíláním dat přes Blynk platformu15. Tyto systémy často měří více parametrů současně a data vizualizují na webových dashboardech.

Odlišné přístupy k měření světla: Některé projekty používají LDR (Light Dependent Resistor) místo solárního panelu15 16, ale solární panel má výhody v podobě lepší odolnosti vůči UV záření a duální funkcionality. Výzkum ukazuje, že solární panely jako světelné senzory poskytují lineárnější odezvu než LDR16.

Závěr

Navržená meteorologická stanice představuje inovativní přístup ke kombinaci fotovoltaické technologie s meteorologickým měřením. Použití ESP32-C3 s ultra-low-power režimem umožňuje dosáhnout výdrže několika měsíců na jednu baterii při měření každých 15 minut. Solární panel v duální roli zajišťuje jak energetickou soběstačnost, tak přesné měření slunečního svitu s možností detekce východu a západu slunce.

Systém je rozměrově kompaktní (krabička 82×80×55mm), vodotěsný (IP65) a schopný automatického odesílání dat přes WiFi. Kombinace BME280 pro základní meteorologické parametry s fotovoltaickým panelem pro světelné měření vytváří univerzální řešení vhodné pro domácí i poloprofesionální použití. Podobné projekty potvrzují životaschopnost tohoto přístupu, přičemž náš návrh se vyznačuje především energetickou efektivitou a inovativním využitím solárního panelu jako duálního senzoru.

  1. https://www.electronicwings.com/esp32/esp32-deep-sleep-mode ↩

  2. https://www.upesy.com/blogs/tutorials/how-to-use-deep-sleep-on-esp32-to-reduce-power-consumption?shpxid=1bfcc45f-bdce-4549-9c3d-aa073897285a ↩

  3. https://www.icdrex.com/using-esp32-to-make-an-iot-weather-station-a-complete-guide/ ↩

  4. https://www.bosch-sensortec.com/products/environmental-sensors/humidity-sensors-bme280/ ↩↩

  5. https://www.bosch-sensortec.com/media/boschsensortec/downloads/datasheets/bst-bme280-ds002.pdf ↩

  6. https://www.reddit.com/r/arduino/comments/18sdsvy/solar_panel_as_light_sensor/ ↩↩↩

  7. https://www.re-innovation.co.uk/docs/low-cost-diy-solar-irradiance-sensor-for-pv-system-monitoring/ ↩

  8. https://www.polycase.com/ip65-enclosures ↩

  9. https://forum.arduino.cc/t/measure-light-intensity-by-using-solar-panel-and-photodiode/1183359 ↩↩

  10. https://www.loxone.com/enen/kb/sunshine-brightness-thresholds/ ↩↩

  11. https://www.instructables.com/NaTaLia-Weather-Station-Arduino-Solar-Powered-Weat/ ↩

  12. https://en.x-telia.com/news/nouvelles-stations-meteo-lorawan ↩

  13. https://github.com/henri98/LoRaWAN-Weather-Station ↩

  14. https://github.com/lmarzen/esp32-weather-epd ↩

  15. https://github.com/avik-halder/IoT-Based-Weather-Monitoring-Station ↩↩

  16. https://publisher.uthm.edu.my/periodicals/index.php/eeee/article/download/8857/2822/53777 ↩↩

  17. https://www.codasensor.com/applications-and-principles-of-pv-sensors.html ↩

  18. https://www.instructables.com/SOLAR-POWERED-ARDUINO-WEATHER-STATION/ ↩

  19. https://www.ijirset.com/upload/2025/april/355_ESP32.pdf ↩

  20. https://community.element14.com/products/manufacturers/bulgin/b/blog/posts/photoelectric-sensors-and-their-uses ↩

  21. https://forum.arduino.cc/t/solar-power-for-arduino-weather-station/1377759 ↩

  22. https://www.einfochips.com/blog/sleep-mode-on-mcu/ ↩

  23. https://www.embedded.com/understanding-mcu-sleep-modes-and-energy-savings/ ↩

  24. https://www.reddit.com/r/microcontrollers/comments/ix0cdf/low_power_micro_recommendations/ ↩

  25. https://www.programmingelectronics.com/esp32-deep-sleep-mode/ ↩

  26. https://github.com/bonitoo-io/weather-station ↩

  27. https://www.maximum-inc.com/wi-fi-system-overview/?srsltid=AfmBOorR8VXUhEumEGlVcBIKgUbhrIaiAPz-Ov9Iwjp30jWdplGy68BB ↩

  28. https://wiki.dfrobot.com/DHT22_Temperature_and_humidity_module_SKU_SEN0137 ↩

  29. https://dev.to/vayuyaan/weather-monitoring-system-using-iot-3goc ↩

  30. https://www.europa-plc.com/encl-24-mod-weather-proof-ip65 ↩

  31. https://www.ansteyhorne.co.uk/news/daylight-and-sunlight-assessment-solar-panels ↩

  32. https://www.alibaba.com/product-detail/ip65-waterproof-metal-stainless-steel-porous_707296795.html ↩

  33. https://news.mit.edu/2019/photovoltaic-rfid-sensors-iot-0927 ↩

  34. https://www.dfrobot.com/product-1291.html ↩

  35. https://github.com/pandrews255/LoRaWanWeatherStation ↩

  36. https://www.mouser.com/applications/low-power-ewc-low-power/ ↩

  37. https://logiaweatherstations.com/products/5-in-1-wireless-weather-station-with-wi-fi ↩

  38. https://community.element14.com/challenges-projects/project14/off-the-grid/b/off-the-grid-blog/posts/mini-solar-powered-wireless-temperature-sensor ↩

  39. https://www.jscholaronline.org/articles/JCSSD/IoT-Weather-Station.pdf ↩

  40. https://www.alibaba.com/product-introduction/IP65-outdoor-waterproof-and-weatherproof-Wall_1601029920452.html ↩

  41. https://www.allelcoelec.com/blog/tp4056-key-parameters,functions,and-applications-in-portable-devices.html ↩

  42. https://datasheet.lcsc.com/lcsc/2311091738_UMW-Youtai-Semiconductor-Co---Ltd--TP4056_C725790.pdf ↩

  43. https://www.instructables.com/DC-DC-Boost-Converter-MT3608/ ↩

  44. https://kunkune.co.uk/shop/dc-to-dc-converters/mt3608-boost-converter-adjustable-module/ ↩

  45. https://pajenicko.cz/mppt-solarni-nabijecka-cn3791-1s-pro-6v-panel ↩

  46. https://www.icstation.com/cn3791-charging-mppt-solar-power-panels-lithium-battery-charging-module-p-15791.html ↩

  47. https://forum.arduino.cc/t/how-to-tweak-cn3791-module-to-run-on-4v-to-10v-range/1215369 ↩

  48. https://store.ichibot.id/product/12v-cn3791-mppt-solar-charger-controller-panel-battery-baterai-cn-3791/ ↩

  49. https://www.instructables.com/Solar-Charger-Circuit-2nd-Prototype/ ↩

  50. https://dratek.cz/martin/2163-boost-step-up-napajeci-modul-dc-dc-2v-5v-na-5v-2a.html ↩

  51. https://www.i4wifi.cz/cs/faq/1742-minimalni-napeti-solarniho-panelu-pro-nabiti-baterie ↩

  52. https://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Prototyping/TP4056.pdf ↩

  53. https://forum.arduino.cc/t/battery-cut-off-voltage/669372 ↩

  54. https://www.dps-az.cz/clanky/id:2975/jednoducha-2clankova-solarni-nabijecka-v-kompaktnim-provedeni ↩

  55. https://www.laskakit.cz/en/nabijecka-li-ion-clanku-tp4056-s-ochranou-microusb/ ↩

  56. https://www.laskakit.cz/en/step-up-converters/?pv47=1071 ↩

  57. https://www.youtube.com/watch?v=fkQlfBa35j0 ↩

  58. https://www.vokolo.cz/mini-buck-boost/ ↩

  59. https://ekostra.com/cn3791-12v-mppt-solar-charger-module/ ↩

  60. https://www.laskakit.cz/user/related_files/dse-cn3791.pdf ↩

  61. https://www.laskakit.cz/en/step-up-converters/ ↩

  62. https://www.reddit.com/r/batteries/comments/1ahowuf/trickle_charging_2_aa_nimh_using_solar_panel_any/ ↩

  63. https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4784081 ↩

  64. https://www.instructables.com/DIY-Solar-Battery-Charger-1/ ↩

  65. https://robu.in/product/tp4056-1a-li-ion-lithium-battery-charging-module-with-current-protection-mini-usb/ ↩

  66. https://www.laskakit.cz/en/toppower-tp4056-nabijecka-li-ion-clanku--1a--esop-8/ ↩

  67. https://www.laskakit.cz/en/solarni-nabijecka-li-ion-baterie-cn3791-1s--6v-panel/ ↩

  68. https://www.aliexpress.com/item/32852214978.html ↩

  69. https://www.icrepq.com/icrepq'11/483-praça.pdf ↩

  70. https://sigmanortec.ro/en/mppt-module-1-cell-cn3791-12v-solar-panel-charging ↩