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Batteriebetrieb mit Deep Sleep

Übersicht

Der ESP32 nutzt Deep Sleep für maximale Batterielaufzeit. Das System:

• Misst alle 5 Minuten den Füllstand
• Sendet via LoRaWAN die Daten
• Schläft danach bis zur nächsten Messung
• Display ist aus während Deep Sleep

Stromverbrauch

Normale Betrieb (ohne Deep Sleep):

• ~80-240 mA kontinuierlich
• Batterielaufzeit: ~1-3 Tage (mit 2000 mAh Akku)

Mit Deep Sleep:

• ~10 µA während Sleep (0.01 mA)
• ~100 mA für 10-30 Sekunden während Messung/Senden
• Batterielaufzeit: ~3-6 Monate (mit 2000 mAh Akku)

Konfiguration

In src/main.cpp (Zeile 18-20):

// Deep Sleep Konfiguration (Batteriebetrieb)
#define SLEEP_INTERVAL 300       // Sleep-Zeit in Sekunden (300 = 5 Minuten)
#define uS_TO_S_FACTOR 1000000   // Umrechnung Mikrosekunden zu Sekunden

SLEEP_INTERVAL anpassen:

Intervall	Sekunden	Messungen/Tag	Batterielaufzeit (2000mAh)
1 Minute	60	1440	~1 Monat
5 Minuten	300	288	~3-6 Monate
10 Minuten	600	144	~6-12 Monate
30 Minuten	1800	48	~1-2 Jahre
1 Stunde	3600	24	~2-3 Jahre

Beispiele:

#define SLEEP_INTERVAL 60    // 1 Minute
#define SLEEP_INTERVAL 300   // 5 Minuten (Standard)
#define SLEEP_INTERVAL 600   // 10 Minuten
#define SLEEP_INTERVAL 1800  // 30 Minuten
#define SLEEP_INTERVAL 3600  // 1 Stunde

Funktionsweise

Ablauf:

1. ESP32 wacht auf (Timer oder Reset)
   ↓
2. Initialisierung (Display, LoRa, Sensor)
   ↓
3. LoRaWAN Join (nur beim ersten Mal, ~5-10 Sek)
   ↓
4. Sensor-Messung (Distanz → Füllstand)
   ↓
5. Display zeigt Werte (1-2 Sekunden)
   ↓
6. LoRaWAN Daten senden (5-10 Sekunden)
   ↓
7. Display ausschalten
   ↓
8. Deep Sleep (5 Minuten)
   ↓
9. Zurück zu Schritt 1

Gesamtdauer pro Zyklus: ~10-30 Sekunden Wachzeit

RTC Memory (Persistenter Speicher)

Der ESP32 behält folgende Variablen im Deep Sleep:

RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;        // Zählt Aufwach-Zyklen
RTC_DATA_ATTR bool joinedNetwork = false; // LoRaWAN Join-Status

Warum wichtig?

• LoRaWAN Join muss nur einmal erfolgen (spart Zeit & Energie)
• Boot-Zähler zeigt wie oft ESP32 aufgewacht ist

Serial Monitor Ausgabe

Beim ersten Start:

=== ESP32 aufgewacht ===
Boot-Nummer: 1
Erster Start oder Reset
Starte LoRaWAN...
Beitritt läuft...
Netzwerkbeitritt erfolgreich
--- Messung ---
Distanz: 135.2 cm
Füllhöhe: 38.8 cm
Füllstand: 24.2 %
LoRa Payload (Hex): 05 48 01 84 00 f2
Nachricht übertragen.
Daten gesendet, bereite Deep Sleep vor...
=== Deep Sleep aktivieren ===
Schlafdauer: 300 Sekunden (5 Minuten)
Gehe in Deep Sleep...

Nach 5 Minuten (nächster Zyklus):

=== ESP32 aufgewacht ===
Boot-Nummer: 2
Aufgewacht durch Timer (5 Minuten vergangen)
Starte LoRaWAN...
--- Messung ---
Distanz: 136.1 cm
Füllhöhe: 37.9 cm
Füllstand: 23.7 %
LoRa Payload (Hex): 05 51 01 7b 00 ed
Nachricht übertragen.
Daten gesendet, bereite Deep Sleep vor...
=== Deep Sleep aktivieren ===
Schlafdauer: 300 Sekunden (5 Minuten)
Gehe in Deep Sleep...

Display-Verhalten

Während Messung (10-30 Sekunden):

• Display zeigt Füllstand in großen Zahlen
• Zeigt Füllhöhe und Distanz
• iotwave.de Header

Während Deep Sleep (5 Minuten):

• Display komplett aus (0 mA Stromverbrauch)
• Display-Controller im Standby-Modus

LoRaWAN-Besonderheiten

Join-Verhalten:

• Erster Boot: LoRaWAN OTAA Join (~5-10 Sekunden)
• Weitere Boots: Join wird übersprungen (Session bleibt erhalten)

WICHTIG bei LoRaWAN:

• Nach jedem Deep Sleep muss das Gerät erneut joinen
• LMIC-Bibliothek speichert Session nicht im RTC Memory
• Lösung: Bei jedem Boot wird LMIC_startJoining() aufgerufen

Batterie-Empfehlungen

Batterietypen:

1. LiPo Akku (empfohlen)

   • 3.7V, 2000-6000 mAh
   • Mit Schutzschaltung
   • Wiederaufladbar via USB

2. 18650 Lithium-Zelle

   • 3.7V, 2500-3500 mAh
   • Mit Battery Shield/Holder

3. Alkaline AA (4× 1.5V = 6V)

   • Mit Spannungsregler auf 5V
   • Nicht wiederaufladbar

Laufzeit-Rechnung:

Beispiel: 2000 mAh Akku, 5 Minuten Intervall

Wachzeit pro Zyklus: 20 Sekunden
Sleep pro Zyklus: 300 Sekunden

Stromverbrauch Wach: 100 mA × 20s = 0.56 mAh
Stromverbrauch Sleep: 0.01 mA × 300s = 0.0008 mAh

Pro Zyklus: ~0.56 mAh
Zyklen pro Tag: 288 (alle 5 Min)
Verbrauch pro Tag: 288 × 0.56 = ~160 mAh

Batterielaufzeit: 2000 mAh / 160 mAh/Tag = 12.5 Tage

Mit niedrigerem Intervall (z.B. 30 Min):

Zyklen pro Tag: 48
Verbrauch pro Tag: 48 × 0.56 = ~27 mAh
Batterielaufzeit: 2000 mAh / 27 mAh/Tag = 74 Tage (~2.5 Monate)

Zusätzliche Optimierungen (Optional)

1. Display komplett deaktivieren

Falls Display nicht benötigt wird:

// In setup() auskommentieren:
// display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);

// In do_send() Display-Code auskommentieren

Einsparung: ~10-20 mAh pro Tag

2. Längere Sleep-Intervalle

Passen Sie SLEEP_INTERVAL an:

#define SLEEP_INTERVAL 1800  // 30 Minuten statt 5

3. Deaktiviere Debug-Ausgaben

Entfernen Sie Serial.print() Aufrufe (spart minimal Strom)

Troubleshooting

Problem: ESP32 wacht nicht auf

Lösung 1: Reset-Button drücken Lösung 2: USB neu verbinden Lösung 3: Batterie-Spannung prüfen (>3.0V nötig)

Problem: LoRaWAN sendet nicht mehr

Ursache: Join-Session verloren nach Deep Sleep

Lösung: Code joint automatisch bei jedem Boot neu

Problem: Display bleibt schwarz

Normal: Display ist im Deep Sleep aus

Falls nach Wakeup noch aus: Reset drücken

Problem: Batterie hält nicht so lange

Mögliche Ursachen:

1. Batterie-Kapazität zu niedrig gewählt
2. SLEEP_INTERVAL zu kurz eingestellt
3. Andere Verbraucher am ESP32 (LEDs, etc.)
4. LoRaWAN Join dauert zu lange (schlechter Empfang)

Lösungen:

• Größeren Akku verwenden
• SLEEP_INTERVAL erhöhen
• LEDs entfernen/deaktivieren
• Gateway näher platzieren

ChirpStack/TTN Anzeige

ChirpStack zeigt:

• Letzte Messung: Vor X Minuten
• Uplink Interval: Alle 5 Minuten (bzw. SLEEP_INTERVAL)
• Frame Counter: Zählt hoch bei jedem Boot

Wichtige Hinweise

⚠️ WICHTIG bei Deep Sleep:

1. Serial Monitor zeigt nichts während Sleep

   • Normal! ESP32 ist aus

2. USB-Verbindung bleibt aktiv

   • ESP32 kann trotzdem mit Batterie laufen

3. Beim Debuggen (Serial Monitor):

   • Nach Upload: ESP32 startet automatisch
   • Nach Deep Sleep: Kurz aufwachen, dann wieder Sleep

4. Upload während Sleep nicht möglich

   • Drücke Reset-Button vor Upload
   • Oder warte bis ESP32 aufwacht

Weitere Optimierungen

Wenn noch längere Laufzeit gewünscht:

1. Sensor Power Management

   • HC-SR04 VCC an GPIO schalten
   • Nur bei Messung einschalten

2. LoRa Power Amplifier deaktivieren

   • TX Power reduzieren (falls Gateway nah)

3. CPU-Frequenz reduzieren

   • 80 MHz statt 240 MHz (in platformio.ini)

Benötigen Sie weitere Optimierungen?