Batterieanalyse für Smart-Home-Produkte selbst gebaut

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Das Batteriemessgerät aus dem Unilabor

Das in Bild 1 gezeigte Batteriemessgerät wurde am Sitftungslehrstuhl für Systemzuverlässigkeit der Technischen Universität Chemnitz entwickelt und entspricht diesen Vorgaben. Zentraler Teil des Batteriemessgeräts ist ein MSP430 Mikrocontroller. Dieser übernimmt die Aufgaben der Steuerung des Systems und Messung und der Werte. Zur Ausstattung des Mikrocontrollers gehören wie bei vielen anderen auch diverse Komponenten, wie digitale Ein- und Ausgänge oder UART, Analog-Digital-Wandler, verschiedene Timer und viele weitere mehr. Bild 2 zeigt die Leiterplattenansicht des Gerätes.

Die elektrische Leistung eines Verbrauchers ergibt sich aus dem Strom, der durch das Messobjekt fließt, und der am Messobjekt anliegenden Spannung zu einem Zeitpunkt, Spannungswerte lassen sich recht einfach mit dem integrierten AD-Wandler des MSP430 messen.

Da allerdings der Strom nicht direkt gemessen wird, muss dieser vorher in einen äquivalenten Spannungswert transformiert werden. Dafür eignet sich ein Shunt-Widerstand, da dieser kostengünstig und einfach in der Handhabung ist. Der Messverstärker INA195 verstärkt den sehr kleinen Spannungsabfall des Shunts auf den vollen Bereich. Somit ist der im MSP430 integrierte A/D-Wandler in der Lage den Strom indirekt zu bestimmen.

Die aufgenommen Messdaten können entweder direkt per USB an den Host-Rechner geschickt werden oder auf einer SD-Karte für die spätere Auswertung gespeichert werden. Weiterhin wurde das Batteriemessgerät mit einem modernen Lithium-Ionen-Akku samt Ladeschaltung versehen. Somit ist es möglich das Messsystem auch autark ohne Anschluss an eine externe Stromversorgung und Host-Rechner zu nutzen. Dem Nutzer stehen zwei Taster, sowie fünf LEDs für die Steuerung und Überwachung des Batteriemessgeräts zur Verfügung.

Grafische Darstellung für den Empfang

Auf Seiten des Host-Rechners wurde für den Empfang der Daten sowie die Konfiguration des Messsystems ein Programm mit grafischer Oberfläche entwickelt. Diese ist in Bild 4 dargestellt und wurde in Python geschrieben. Damit ist eine Nutzung sowohl unter Linux, Max OSX oder Windows möglich. Es stehen verschiedene Werkzeuge, etwa die Zoom-Funktion zur Verbesserung der Darstellung zur Verfügung. Daneben ist es möglich die Daten als CSV zu exportieren und weiterzuverarbeiten. Ebenso lassen sich einmal exportierte CSV-Daten wieder einlesen.

Daneben kann das Batteriemessgerät über die grafische Oberfläche individuell an die Bedürfnisse des Nutzers angepasst werden. So bewirkt die Änderung des Shunts eine Änderung des Messbereichs der Stromstärke-Messung. Ebenso sollte die Abtastrate so hoch gewählt werden, dass die zu beobachtenden Vorgänge auch aufgezeichnet werden können, jedoch so niedrig wie möglich um die vorhandenen Ressourcen zu schonen. Dabei können verschiedene Werte für UART- oder SD-Karten-Modus vorgegeben werden.

Das Batteriemesssystem ermöglicht etliche Untersuchungen

Das Integrieren der Einzelmessergebnisse über einen angemessenen Zeitraum – zum Beispiel einen Tag – ermöglicht eine schnelle Abschätzung über den Energiebedarf in einer realen Umgebung. Damit kann die zu erwartende Batterielaufzeit abgeschätzt werden.

Viele Batterietypen wie Lithium-Oxid-Batterien erlauben nur einen sehr begrenzten Maximalstrom. Wird dieser überschritten, bricht die Spannung zusammen und gleichzeitig wird die Batterielebensdauer negativ beeinflusst. Ein negativer Effekt kann durch entsprechende Pufferkapazitäten ausgeglichen werden; mit der Messtechnik ist die Wirksamkeit dieser Maßnahmen in realen Anwendungen leicht zu prüfen.

Das Wechselspiel der einzelnen Betriebsmodi hat einen entscheidenden Einfluss auf die Batterielebensdauer. Hier braucht der Firmware-Entwickler entsprechende Messtechnik, um die Aufweckzeiten der Elektronik zu minimieren.

Verfügbarkeit der Quelldaten für das Projekt

Das gesamte Projekt mit Hardware, Mikrocontroller-Firmware und Host-Rechner Software wird von der TU Chemnitz als Open-Source-Projekt frei zu Nachbau und Weiterentwicklung ins Netz gestellt. Die notwendigen Quelldaten stehen auf dem Server der Stiftungsprofessurfür Systemzuverlässigkeit unter zur Verfügung.

* Prof. Dr.-Ing Christian Pätz ist Stiftungsprofessor für Systemzuverlässigkeit und Dipl-Ing.Christian Roßberg wissenschaftlicher Mitarbeiter, beide an der TU Chemnitz.

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