Desarrollo del hardware en el proyecto Home-Ambient, planteamiento e implementación de funciones, captura de esquemáticos y diseño de la PCB.
Introducción
Aunque es posible seguir esta entrada sin necesidad de contexto, el contenido que sigue está enmarcado en el desarrollo del proyecto "Home-Ambient: Termostato inteligente a dos hilos".
Definidos los principales bloques del proyecto, comienza la búsqueda de la implementación más conveniente de cada una.
Pueden definirse principalmente tres partes:
- Alimentación:
- Convertidor AC/DC: Desde la tensión de red se generan 5VDC.
- BMS: Gestión de los flujos de energía desde y hacia la batería.
- Convertidor DC/DC: Generación de 3,3VDC, ya sea desde los 5VDC o todo el rango de tensión de la batería.
- Control y sensores:
- MCU: Gestión de entrada y salida de información e integración con HomeAssistant.
- Comunicaciones: WiFi y Bluetooth.
- Sensores: Temperatura, humedad y calidad del aire (opcional).
- Actuación: Apagado y encendido del elemento calefactor.
- Visualización:(opcional)
- LED RGB.
- Display e-Ink.
AVISO AL LECTOR
Esta web publica bajo este: "Aviso legal".
Se incide en que el autor no se hace responsable de daños materiales, personales o de cualquier otro tipo que puedan derivarse directa o indirectamente del uso o mal uso del contenido aquí presentado.
Este proyecto implica el uso de tensiones eléctricas peligrosas capaces de causar lesiones graves, incendios o la muerte si no se manipulan correctamente.
Cualquier intervención en un sistema eléctrico debe ser realizado por personas con conocimientos técnicos adecuados en electricidad.
Alimentación
El principal reto de este proyecto es la gestión de energía. Home-Ambient acciona un elemento calefactor intercalándose en serie consigo el mismo, perdiendo alimentación durante el tiempo de caldeo. Cada modo de funcionamiento presenta un reto distinto, como se verá a continuación.
Modos de funcionamiento de Home-Ambient
Home-Ambient tiene dos modos de funcionamiento: calefactor apagado y calefactor encendido.
Calefactor apagado
La energía se tomará desde la misma alimentación que usa el calefactor cuando se encuentra encendido. En este modo, parte de la energía extraída se almacena en una batería, que será la que mantenga la alimentación cuando el calefactor esté encendido.
Para que esto sea viable es fundamental que la potencia de la carga (el calefactor) sea al menos un orden de magnitud superior a la potencia extraída por el control. De esta forma, la corriente a través de la carga supondrá un gasto energético despreciable.
A priori, este sistema tendrá la limitación de manejar cargas puramente resistivas, si bien algunas cargas no lineales podrían funcionar se debe analizar en cada caso.
De igual forma, el paso de una corriente por mínima que sea podría suponer un problema. Por tanto, se debe recordar que aunque el uso de este sistema en cualquier carga distinta a una calefacción resistiva es posible, el integrador tiene la responsabilidad de analizar la conveniencia en cada caso.
Calefactor encendido
Mientras el calefactor se encuentra encendido la alimentación del control debe tomarse de forma autónoma desde una batería.
Además del almacenamiento de energía, otro reto será alimentar a una tensión de 3,3V el control desde una fuente de alimentación que varía desde 2,8V a 4,1V.
Este es un caso que los típicos convertidores buck y boost no pueden manejar, siendo la solución de equilibrio un convertidor SEPIC como se verá más adelante.
Compartir energía entre cargador y carga
Pese a que la fuente última de energía en este termostato es la tensión de red (la batería también se carga desde esta), el convertidor que suministra los 3,3V obtendrá la energía desde dos vía distintas.
Una solución podría ser utilizar dos diodos con cátodo común, de forma que la tensión con más potencial es la que suministra energía.
Esta simplificación trae el inconveniente de la caída de tensión en el diodo, conllevando pérdidas considerables incluso con diodos Schottky o ultra rápidos. Por otro lado, «perder» al menos 300mV no es nada despreciable para las magnitudes de tensión que maneja la batería.
La solución que emplea Home-Ambient será la propuesta en [1], donde un MOSFET-P conecta de una forma más eficiente la batería al sistema, desconectándose completamente cuando la alimentación externa está presente.
Convertidor SEPIC
Durante la descarga de la batería la tensión varía desde un máximo de ~4,2V hasta ~2,7V. Mientras esto ocurre, la tensión en el control debe mantenerse en 3,3V constántemente.
Simplificando el circuito sería posible utilizar un convertidor buck o LDO de baja caída, limitando el uso de la batería entre ~3,3V y 4,2V. Y aunque puede parecer poco eficiente desperdiciar parte de la capacidad de la batería, un vistazo a gráficas SOC vs tensión en baterías de litio muestra que, en torno a 3,5V, ya se ha utilizado aproximadamente el 80% de la misma.
Durante las validaciones del prototipo de Home-Ambient se experimentó con esta posibilidad, concluyendo que el uso real estaba más cerca de un ~50%. Además, de forma aleatoria el control se reiniciaba al accionar el calefactor, en parte debido a los transitorios en la entrada del buck, que detenían la conversión y obligaban a colocar condensadores muy voluminosos. Cuando se usó un LDO la caída de tensión durante el accionamiento apagaba completamente el sistema, entrando en un bucle de reinicios sin fin. También se observó operatividad limitada del termostato, pues sólo permitía encendidos seguros cuando la batería se encontraba por encima del 85%.
Finalmente, se opta por un convertidor SEPIC capaz de manejar todas esas situaciones, asumiendo el incremento en complejidad.
El funcionamiento y diseño de este convertidor se desarrollará en una entrada propia próximamente.
Control, sensado y actuadores de Home-Ambient
Con el sistema de alimentación definido toca centrarse en la parte que podría parecer más consumidora de recursos. Nunca debe subestimarse ningún componente por sencillo que parezca, o se corre el riesgo de costes inasumibles como puede ser la inviabilidad del producto. En muchos proyectos donde aparece un microcontrolador, una comunicación o un sensado, se tiende a pensar que serán las partes más absorbentes, dejando de lado aspectos importantísimos como la alimentación o un diseño de carcasa.
Electrónica de control
La tarjeta ESP32-C3-DevKitM-1 incluye todo y más de lo necesario para dotar de inteligencia al termostato. Con conexión WiFi y Bluetooth, posibilidad de actualizaciones inalámbricas OTA (Over The Air), muchos periféricos y entradas/salidas, además de una MCU bien documentada y establecida. Este dispositivo no necesita de más presentación.
Sensado
El sensor BME680 de Bosch cubre los requisitos de medida de temperatura, humedad, y calidad de aire, además es capaz de medir la presión barométrica. Su interfaz I2C permite realizar todas las adquisiciones de datos con solo dos hilos.
Otra opción más económica que cubre los requerimientos básicos de Home-Ambient sería el RHT03 o DHT22, también con interfaz digital y solamente un hilo.
Se opta por el sensor de Bosch por su capacidad para medir la calidad del aire y ser un sensor con más garantías (origen, certificados, documentación…), dicho lo cual, cualquiera de las dos implementaciones funcionaría perfectamente en un entorno doméstico.
Actuador
Accionar el elemento calefactor requiere un interruptor que pueda ser pilotado desde una señal que suministre la MCU a su tensión de alimentación. Un clásico relé bien dimensionado es más que suficiente para esta tarea.
Existe la posibilidad de elegir un relé con o sin enclavamiento. La ventaja más clara de un relé con enclavamiento es no necesitar alimentar su bobina constantemente, pudiendo reducir la batería o aumentar drásticamente la autonomía. A pesar de ello se opta por la opción sin enclavamiento por un criterio de seguridad, ya que en el caso de un fallo el sistema tenderá, a largo plazo, a desconectar el calefactor, ya sea debido a bloqueo del control o un fallo en la alimentación.
Prototipo Home-Ambient
Con las implementaciones definidas es momento del prototipo que las valide. Sobre una PCB de prototipos se montan módulos comerciales, conectando y añadiendo manualmente la electrónica que sea imposible conseguir de esta forma.
En las siguientes imágenes puede verse el prototipo fabricado, que al ser obtenidas con el proyecto avanzado incluye correcciones e incluso las primeras pruebas de un display.
Las partes utilizadas para el prototipo han sido:
- Control y comunicaciones: ESP32-C3-DevKitM-1.
- Sensor ambiente: BME680.
- AC/DC: RAC02e-05.
- Conmutador: Transistor y diodo discreto.
- DC/DC: Módulo SEPIC genérico.
- Relé: Relé 3VDC, 250VAC y 8A.
- Cargador batería: Módulo genérico TP4056.
De los componentes del prototipo el relé no cubre los requerimientos de corriente nominal, pero es representativo para las pruebas de la validación. Se espera que el relé definitivo suponga una ligera disminución de la autonomía.
Este prototipo estuvo funcionando durante todo un invierno controlando la temperatura del salón de una vivienda. Integrado en una instalación domótica con Home Assistant registrando medidas y actuaciones.
Los principales ajustes durante la validación fueron los ya comentados en la alimentación y gestión de la energía, sin ninguna sorpresa extra en el control como era de esperar de una tecnología tan asentada.
En la siguiente entrada se pasará del prototipo validado a la PCB final, acercándonos a un producto más acabado y fiable.
