Módulo Arduino y GSM funcionando con baterías de litio durante años

Para ser claro, creo que lo que estás proponiendo es completamente alcanzable, pero no trivial. Habrá muchas áreas que tendrá que optimizar para obtener el rendimiento que busca.

Me acercaría a esto ejecutando el Arduino directamente desde la celda LiSOCl (algo así como un ER34615) con un supercap 1F (clasificado en 5.5V) en paralelo con la celda para atender los requisitos de consumo de corriente máxima. El valor exacto del capacitor requerido dependerá de la magnitud exacta y la forma de onda del consumo de corriente del módulo GSM.

Generaría la energía para el módulo GSM utilizando un SPMS de refuerzo cuyo voltaje de salida se configuró para que causara un consumo mínimo de energía del propio módulo. Es posible que pueda leer esto en la hoja de especificaciones, o mejor aún, medir el consumo de energía usted mismo en el rango de voltaje operativo. Es posible que pueda comprar un módulo para hacer esto, pero probablemente tendrá que ajustar su voltaje de salida; la mayoría alrededor de este rango estará diseñado para generar 5V. Querrá que este circuito de refuerzo tenga un pin de habilitación para que pueda apagarlo cuando el Arduino esté dormido.

Aquí hay un diagrama a nivel de bloque de lo que estoy proponiendo:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El propio Arduino necesitará que se eliminen todos los circuitos de consumo de energía adicionales: cualquier regulador lineal tendrá una corriente de fuga que no puede pagar y tampoco desea un LED de alimentación siempre encendido ni ningún amplificador operacional de búfer allí. El Arduino Pro Mini puede ser un buen candidato ya que tiene la posibilidad de desvincular algunas de estas cosas (regulador lineal) y no tiene otras en primer lugar (amplificadores operacionales de búfer).

También querrá usar el oscilador RC interno en lugar del cristal en el tablero. Consulte aquí algunas ideas sobre cómo reducir el consumo de energía de un Arduino que incluye algunos detalles sobre cómo hacer esto (deberá establecer la configuración correcta del fusible con un programador ICSP adecuado). También querrá cargar su código a través de ICSP, ya que la precisión del oscilador integrado puede no ser lo suficientemente buena para el cargador de arranque UART.

Re: cambio de nivel, es posible que pueda salirse con la suya con una combinación de no hacer nada (para las señales del Arduino al módulo GSM) y un divisor de potencial de resistencia relativamente alto (para las señales que van en la otra dirección). Esto dependerá de la naturaleza exacta de la conexión, la velocidad/frecuencia de bits y los niveles lógicos aceptables en el módulo GSM. También supone que no está utilizando un protocolo bidireccional como I2C, para eso necesitará un cambiador de nivel basado en MOSFET como estos , funcionarán bien con los voltajes que menciona.

En cuanto a la duración de la batería, es difícil decir con precisión porque no tenemos cifras exactas de usted. Sin embargo, un cálculo aproximado sería así:

Supongamos una corriente de reposo de 5uA (1uA debería ser alcanzable, pero seamos pesimistas). Eso es 120uAh por día desde la celda. Si asumimos un consumo promedio de 500 mA del módulo GSM durante 1 minuto, eso es un extra de 8 333 uAh por día. Pero no hemos permitido el convertidor elevador. Suponiendo que el voltaje de la celda sea de 3,6 V (disminuirá a medida que la celda se descargue) y el convertidor elevador genere 4 V, el consumo de corriente en la celda será 4/3,6 = 1,11 veces mayor que en el módulo GSM. Agregue una supuesta eficiencia del convertidor del 80% (debería hacerlo mucho mejor) y el consumo de energía es de alrededor de 8 333 x 1.11 / 0.80 = 11 574uAh por día para el módulo GSM.

Agregue la corriente de reposo original de 120 uAh y eso es 11.7 mAh por día. Sin embargo pjc50hace un excelente punto sobre la corriente de fuga de supercaps. Para un supercap 1F 5.5V busqué, ¡la corriente de fuga se cotizó en 300uA! Y eso es después de 30 minutos, es significativamente peor antes de ese tiempo. Suponiendo una fuga constante de 300 uA durante 24 horas, se trata de 7 200 uAh adicionales: un aumento del 60 % en el consumo sin ningún beneficio. Con eso en mente, vale la pena cambiar el límite para cargar durante un tiempo antes de habilitar el SMPS y conectarse a la red GSM, y desconectarse cuando haya terminado. Esto se logra fácilmente usando un MOSFET, que se muestra en el esquema propuesto. De esta manera, aún perderá algunos uAh adicionales durante un día, pero se limitará a (máximo absoluto) la carga almacenada en el capacitor cuando esté completamente cargado (3.6V x 1F = 3.6C -> 1 000uAh a 3.6V) y probablemente mucho menos. pero vamos

Un ER34615 tiene una capacidad de 19 AH a 3,6 V, lo que en papel equivale a aproximadamente (19/0,0127)/365,25 = 4,1 años de duración de la batería. Por supuesto, su kilometraje puede variar y querrá monitorear tanto su estado estable como las corrientes de transmisión (usando un osciloscopio, preferiblemente uno que pueda integrarse bajo la curva) cuidadosamente durante el desarrollo para verificar que va por buen camino.

Sin embargo, tiene un largo camino por recorrer si muchos de los conceptos de esta respuesta son nuevos para usted. Si se trata de un proyecto universitario, sugiero invitar a su supervisor a unas cuantas cervezas (o lo que sea apropiado para él) y hacer que participe. Si se trata de un proyecto personal, ¡debe hacerse amigo de un ingeniero electrónico sediento con tiempo de sobra!

Buena suerte.