Isi Ulang Batere LiIon 18650 Dengan Panel Surya

Salah satu catu daya yang ideal untuk IoT adalah menggunakan panel surya dan batere yang bisa diisi ulang. Panel surya digunakan sebagai catu daya untuk perangkat IoT dan mengisi batere di siang hari. Ketika matahari sudah terbenam di malam hari, batere akan menjadi catu daya untuk perangkat IoT.

Untuk perangkat IoT yang kecil, seperti stasiun cuaca berbasis NodeMCU, batere isi ulang 18650 cocok untuk digunakan sebagai catu daya. Hal ini sudah saya ulas di tulisan sebelumnya. Batere 18650 ini bisa diisi ulang dengan menggunakan panel surya, sehingga tidak perlu diisi ulang dengan catu daya PLN. Dan kebetulan, kontroller TP4056 juga bisa digunakan untuk mengisi batere 18650 dengan panel surya.

Panel surya yang digunakan sebaiknya menggunakan tegangan 5V, menyesuaikan dengan tegangan masuk board TP4056. Untuk daya panel surya yang dibutuhkan sangat tergantung pada beban. Untuk Stasiun Cuaca dengan NodeMCU saya menggunakan 2 buah panel surya, masing-masing memiliki daya 1 watt. Total daya yang saya dapatkan adalah 2 watt.

Namun, perlu diingat bahwa daya 2 watt ini hanya akan saya dapatkan dalam situasi sinar matahari yang sangat terik. Perkiraan saya bahwa dalam keadaan mendung, di pagi maupun sore hari, saya bisa mendapatkan sekitar 1 watt dari kedua panel surya. Artinya, arus maksimum yang saya dapatkan adalah 200 mA. Arus ini tentu dibawah konfigurasi board TP4056 dari pabrik. Oleh karena itu TP4056 ini perlu dirubah dengan mengganti R3, sesuai tulisan saya sebelumnya.

Setelah modifikasi TP4056 selesai, maka tinggal menyambungkan kedua panel surya secara paralel ke Vin dari TP4056. Mungkin bisa juga sih menggunakan colokan MicroUSB, tapi kok lebih praktis kalau disambung secara langsung. Diagram sambungan panel surya, TP4056 dan batere 18650 bisa dilihat di diagram dibawah ini.

Setelah panel surya selesai disambungkan, keseluruhan rangkaian diletakkan di luar, di bawah sinar matahari sore. Ketika panel surya diarahkan pada sinar matahari langsung, lampu merah di TP4056 langsung menyala, tanda pengisian sedang berlangsung. Dengan mengatur R3 maka arus pengisian bisa diatur di sekitar 150 – 200 mA, cukup untuk IoT Stasiun Cuaca dengan NodeMCU.

Bikin Sendiri Stasiun Cuaca Mandiri dengan NodeMCU

Pernalh lihat laporan cuaca di televisi atau di internet? Laporan cuaca ini sebenarnya dibuat dari gabungan beberapa sensor, ditambahkan dengan analisa dan prediksi yang dibuat berdasarkan data tersebut. Untuk analisa dan prediksi mungkin memerlukan ilmu pengetahuan tentang cuaca dan pengalaman. Tetapi, untuk membuat stasiun cuaca yang hanya mengumpulkan data hanya membutuhkan pengetahuan elektronika dan komputer.

Di Amerika banyak warga yang membuat stasiun cuaca sendiri, yang tergabung dalam program Citizen Weather Observation Program (CWOP). Data dari CWOP ini digunakan oleh NOAA (Badan cuaca Amerika) untuk penelitian, analisa dan prediksi cuaca. Alangkah baiknya juga apabila CWOP ini bisa di adopsi di Indonesia, dan datanya juga dimanfaatkan oleh BMKG.

Somebody has to start, right? Oleh karena itu saya memulai stasiun cuaca kerakyatan ini dengan membuat stasiun cuaca sendiri di rumah.

Kontroler: Antara Raspberry Pi, Arduino dan NodeMCU

Untuk project stasiun cuaca ini awalnya saya mempertimbangkan antara Raspberry Pi, Arduino dan NodeMCU.Raspberry Pi memiliki keuntungan karena berjalan dengan sistem operasi Linux. Sistem operasi Linux menyediakan level networking yang baik, dan pilihan bahasa pemrograman untuk memproses data sensor. Akan tetapi sistem operasi Linux membutuhkan daya listrik yang cukup besar, sehingga membutuhkan batere yang besar pula apabila dijalankan dengan panel surya.

Arduino dan NodeMCU memiliki kebutuhan daya yang lebih kecil. Kedua modul ini juga sudah memiliki regulator yang bisa menerima tegangan lebih besar dari 5v, sehingga bisa dihubungkan langsung batere. Arduino menggunakan mikrokontroler ATmega sedangkan NodeMCU menggunakan kontroler ESP8266. Apabila keduanya dibandingkan, ESP8266 memiliki keuntungan dengan ketersediaan WiFi dan konsumsi daya yang lebih rendah dengan kemampuan deep sleep. Sementara Arduino masih membutuhkan WiFi shield tambahan.

Sedikit catatan tentang konsumsi listrik. Stasiun cuaca ini akan memberikan pengukuran setiap 5-15 menit sekali. Di antara pengukuran, stasiun cuaca akan memasukin sleep mode untuk mengurangi penggunaan listrik, terutama apabila menggunakan panel surya. Arduino memang memiliki sleep mode. Tetapi, pengkabelan dan pemrograman sleep mode di Arduino lebih rumit, dibandingkan NodeMCU. Untuk NodeMCU, deep sleep hanya membutuhkan kabel dari pin D0 ke RST, dan dalam pemrograman cukup memanggil fungsin ESP.deepSleep.

Sensor Pengukuran Stasiun Cuaca

Selanjutnya, sampai stasiun cuaca bisa mengukur data-data cuaca, seperti suhu, kelembaban, tekanan udara, dan lain-lain, dibutuhkan beberapa sensor. Pemasangan sensor ini dilakukan secara beberapa tahap supaya kalau ada kendala bisa dengan mudah diperbaiki. Berikut daftar pengukuran, sensor dan tahapan pemasangan yang direncanakan:

  1. Suhu dan Kelembaban: DHT22. Sebaiknya menggunakan paketan sensor DHT22 yang sudah menempel di PCB dengan 3 kaki untuk menghindari kebutuhan komponen tambahan
  2. Tekanan udara: BMP280. Terdapan 2 jenis BMP280, dengan 4 kaki atau dengan 6 kaki. Sensor BMP280 dan DHT22 bisa digabung dengan menggunakan sensor BME280 denga harga yang lebih mahal.
  3. Arah dan kecepatan angin. Sensor ini sebenarnya terdiri dari 2 bagian, untuk mengukur kecepatan angin dan arah angin.
  4. Jumlah hujan. Saat ini saya masih mencari sensor yang tepat untuk mengukur jumlah hujan.

Catu Daya Stasiun Cuaca Mandiri

Setelah menentukan mikrokontroler dan sensor, untuk menjalankan stasiun cuaca dibutuhkan catu daya listrik. ESP8266 bekerja di tegangan 3.3v. Di dalam board NodeMCU v3 yang saya gunakan terdapat konektor micro USB dan DC converter sehingga tegangan 5v dari micro USB bisa digunakan untuk sumber daya ESP8266. Hal ini mempermudah sumber catu daya NodeMCU, dengan menggunakan charger telepon genggam dengan konektor micro USB.

Akan tetapi, tujuan akhir dalam stasiun cuaca ini adalah untuk memiliki catu daya sendiri. Meskipun dalam tahap pertama sumber catu daya yang digunakan masih berasal dari PLN, pada tahap akhir saya akan menggunakan panel surya dan batere rechargeable sebagai sumber catu daya. Untuk itu komponen yang sedang direncanakan:

  1. Panel surya dengan tegangan antara 5-6v, dan arus maksimum sekitar 400mA. Artinya saya membutuhkan panel surya sekitar 2.4 watt.
  2. Batere rechargeable. Pilihan sementara jatuh pada batere Lithium Ion (LiIon) atau yang lebih mahal Lithium Polymer (LiPo). Kedua batere ini memiliki tegangan keluaran 3.7v yang masih bisa diterima oleh NodeMCU. Kapasitas batere sendiri tidak terlalu penting, karena saya akan memanfaatkan kemampuan deep sleep NodeMCU yang hanya mengkonsumsi listrik sangat sedikit diantara pengukuran
  3. Solar Charge Controller. Komponen ini berfungsi untuk mengatur pengisian batere rechargeable dari panel surya, dan memindahkan sumber daya dari panel surya ke batere di malam hari. Beberapa pilihan adalah WEMOS Lithium Charge Controller atau kontroller berbasis TP4056. Kontroler WEMOS memiliki kelebihan karena bisa dihubungkan ke NodeMCU untuk memberikan pembacaan tegangan batere, tapi memiliki harga yang lebih mahal.

[Update 23 Desember 2018] Stasiun cuaca saat ini sudah menggunakan batere 18650 sebagai sumber daya pada poin 2, dan TP4056 sebagai charge controller pada poin 3. Detail penggunaan batere 18650 dan TP4056 bisa dilihat di tulisan ini.

Komunikasi Stasiun Cuaca Mandiri: Internet & Radio Amatir

Stasiun cuaca akan jauh lebih berguna apabila hasil pengukurannya bisa dikirimkan ke internet. Untuk menghubungkan stasiun cuaca dengan internet, saya memanfaatkan kemampuan WiFi dari NodeMCU untuk menghubungkan stasiun cuaca dengan WiFi di rumah, dan lalu ke internet. Sebagai protokol komunikasi, pilihan jatuh kepada format Automatic Packet Reporting System (APRS). Alasannya supaya data yang dihasilkan bisa terbaca oleh situs CWOP, sehingga saya tidak perlu membuat program web khusus untuk menampilkan hasil pengukuran.

Penggunaan komunikasi APRS ini juga membuka kemungkinan untuk mengirimkan hasil pengukuran melalui stasiun radio amatir. Hal ini akan membuat stasiun cuaca yang benar-benar mandiri.

Salah satu pilihan komunikasi yang cukup menarik adalah dengan menggunakan jaringan telepon seluler GSM. Ada beberapa modul yang tersedia untuk Arduino yang juga bisa digunakan oleh NodeMCU. Akan tetapi pilihan ini cukup mahal oleh karena biaya berlangganan paket data dari operator seluler. Kendala lainnya adalah daya yang dibutuhkan oleh modem GSM, sehingga membutuhkan panel surya dan batere yang lebih banyak.

Kotak Pelindung: Stevenson Screen

Terakhir, untuk melengkapi sebuah stasiun cuaca, dibutuhkan kotak untuk melindungi komponen-komponen dari cuaca itu sendiri. Standar dunia untuk stasiun cuaca adalah menggunakan Stevenson Screen, sebuah kotak dengan beberapa lubang sehingga angin bisa berhembus dengan bebas. Banyak instruksi untuk bikin sendiri Stevenson Screen.

Demikian ringkasan dari rencana stasiun cuaca dengan NodeMCU. Untuk memulai pembuatan stasiun cuaca mandiri dengan NodeMCU, silahkan melihat artikel berikutnya.

Cover Photo by John Westrock on Unsplash

Bikin Sendiri Dudukan Panel Surya dari Baja Ringan

Ketika akan pasang Panel Surya di atap rumah, kendala utama yang dihadapi adalah dudukan tempat memasang baut. Kebanyakan gambar dan contoh panel surya di internet yang dipasang di atap sudah memiliki dudukan yang dipersiapkan sebelum genteng di pasang. Sementara, resiko bocor untuk membongkar ulang genteng rumah cukup besar.

Bermodal sisa potongan baja ringan, saya mencoba membuat dudukan sendiri. Baja ringan ini sama dengan yang digunakan untuk rangka atap rumah. Dudukan dari baja ringan ini sudah digunakan untuk menyangga panel surya 50 watt, seberang kurang lebih 5 kilogram.

Mounted Solar Panel

Bahan-bahan dan Peralatan

  1. Potongan sisa baja ringan, minimal 12 cm.
  2. Gergaji besi
  3. Bor baja
  4. Spidol dan penggaris untuk mengukur
  5. Mur dan baut, disesuaikan dengan panel surya

Cara Membuat

  1. Ukur dan potong baja ringan menjadi 4 bagian sama panjang

    Measure and Divide
    Baja ringan 15cm, dibagi menjadi 4 bagian
  2. Dengan menggunakan tang, tekuk 2 potong baja ringan, sehingga menjadi bentuk di bawah ini. Dalam foto ini, bagian atas adalah baja ringan sebelum ditekuk, dan bagian bawah adalah baja ringan sesudah ditekuk

    Bend Number 2
    Bentuk akhir baja ringan dan posisi lubang bor
  3. Dengan menggunakan bor baja, buat lubang di baja ringan:
    1. Untuk titik merah, pastikan jarak dari pinggir baja ringan sesuai dengan jarang lubang di panel surya
    2. Untuk titik kuning, sebaiknya baru dilubangi setelah pasak beton terpasang, agar jaraknya sesuai
    3. Sesuaikan ukuran lubang dengan ukuran baut pasak beton untuk titik kuning, dan baut untuk panel surya untuk titik merah
  4. Pasang dudukan dan pastikan semua lubang sesuai. Panel surya siap di pasang di atas genteng
    Mounting from the other side
    Panel Surya siap di pasang di atap