Der RasPi ist ein sparsamer Kleinrechner. Fernab einer Steckdose saugt er eine Batterie trotzdem überraschend schnell leer. In dieser Situation braucht es aktives Strommanagement.
“Juice” bedeutet auf Deutsch “Saft”, die englische Umgangssprache verwendet für Strom also denselben Begriff wie die deutsche. Ein Pi-Zero (W) benötigt davon 100 mA aufwärts – je nachdem, was er tut. Das hört sich im ersten Moment nach wenig an, aber mit einer Standard Industrie-LiPo-Zelle von 2 *200 mAh hält der RasPi damit noch nicht mal einen Tag durch.
Dementsprechend gilt es, sparsam mit dem wertvollen Saft umzugehen. Die schon länger existierenden Hats von PiJuice bringen dazu die passende Elektronik mit (Abbildung 1). In diesem Artikel schauen wir uns den für den Zero optimierten pHat an [1]. Es gibt zwar daneben einen großen Hat, der noch ein paar Funktionen mehr bietet, aber größere Pis weisen ohnehin einen erhöhten Grundbedarf auf und die Mehrleistung braucht es für viele Zwecke gar nicht.
Abbildung 1: pHat für das Strommanagement von PiJuice.
Anwendungsfälle
Doch zuerst ein kleiner Blick auf mögliche Einsatzszenarien: Einen RasPi, der an der Steckdose hängt, aber unbedingt durchlaufen muss, müssen Sie mit einer USV (unterbrechungsfreien Stromversorgung) absichern. Im Fall der Fälle springt blitzschnell eine Backupbatterie ein und überbrückt die Zeit, bis das Stromnetz wieder zur Verfügung steht.
Ein zweiter Anwendungsfall liegt im Normalbetrieb mit Batterie, etwa weil der RasPi fernab der Zivilisation arbeiten soll. Hierbei muss der Hat den Pi mit stabiler Spannung versorgen, auch wenn die Akkuspannung nach und nach sinkt. Ebenso misst der Hat idealerweise den Ladezustand und meldet diesen Wert an den RasPi. Ein Überwachungsprogramm kann dann den Pi rechtzeitig herunterfahren, was wiederum den Akku vor Tiefentladung schützt.
In Verbindung mit beiden Anwendungsfällen kommt als Anforderung noch ein ausgefeiltes Lademanagement hinzu. Statt Akkutausch lädt im zweiten Fall typischerweise ein Solarpanel den Akku wieder auf, während bei der USV das Stromnetz diese Aufgabe übernimmt.
Schließlich muss der Hat außerdem in der Lage sein, den RasPi nach dem Herunterfahren vom Strom zu trennen. Denn alle Pis vor dem Pi 5 verbrauchen selbst nach dem Herunterfahren noch viel zu viel Strom. Ebenso das automatische Aufwachen, beispielsweise zeitgesteuert bei Sonnenaufgang, oder wenn die Batterie wieder geladen ist, gehört zum Programm. Ein Pi, der eine Stunde pro Tag statt 24 Stunden sieben Tage die Woche läuft, verlängert die Standzeit des Akkus im obigen Beispiel von unter einem Tag auf knapp drei Wochen.
Aufbau und Inbetriebnahme
Sämtliche wichtigen Informationen für den schnellen Start lesen Sie im Quick-Start Guide [2] nach. Eine detaillierte Beschreibung der Hard- und Software findet sich im Github-Repository des Herstellers [3]. Für den pHat benötigen Sie einen passenden Akku, den Sie an die entsprechende Buchse rechts (Abbildung 1) anschließen. Der pHat unterstützt dabei Akkus mit eingebautem Thermistor. Entwickelt sich beim Laden des Akkus zu große Hitze, schaltet der Hat zur Sicherheit ab.
Allerdings lassen sich die geschützten Akkus nicht unbedingt einfach erstehen – von den gängigen Shops hatte sie nur Conrad im Angebot. Die Original-Akkus des Herstellers vertreibt in Deutschland niemand, als einzige Lieferquelle in der EU konnten wir Botland.de, einen polnischen Versender, ausfindig machen. Zum Glück ist der Thermistor optional, weswegen Akkus ohne diesen Schutz genauso funktionieren. Für den unbewachten Langzeiteinsatz empfiehlt sich die Absicherung trotzdem.
Außer dieser Hürde gleicht die Inbetriebnahme mit der Basisfunktionalität einem Kinderspiel: Hat an den Pi und Batterie an den Hat. Hängt der RasPi am Stromnetz, können Sie sowohl dessen Micro-USB-Buchse als auch die entsprechende Buchse des Hats nutzen. Alternativ zur USB-Buchse auf dem Hat sehen Sie rechts daneben noch den Anschluss J4. Hier lassen sich bis zu 10 V einspeisen, was ideal für den Anschluss von Solarpanels ist.
Auf der linken Seite des pHats sitzt ein Taster (SW1); einmal gedrückt, schaltet der pHat den Strom ein. Halten Sie 20 Sekunden lang gedrückt, schaltet der Strom hart ab. Bei 10 Sekunden fährt das System herunter, unter der Voraussetzung, dass Sie die passende Software installiert haben. Etwas unterhalb liegt der Anschluss J5 für einen weiteren Taster (SW2 in der Software).
Eine interessante Rolle spielt zudem der Header P3. Hier könnten Sie einen eigenen Mikrokontroller oder auch nur einen Sensor anschließen, der über die beiden IO1/IO2-Pins mit dem Chip auf dem Hat kommunizieren kann. Über den IO2-Pin steuert ein Mikrokontroller dann sogar bei Bedarf das Aufwachen.
Software
Die grundsätzlichen Funktionen wie USV oder der Batteriebetrieb funktionieren völlig autark und unabhängig von der Installation der Zusatzsoftware. Die Software bietet allerdings Optionen, die sich für viele Anwendungsfälle als nötig oder einfach praktisch erweisen. Das saubere Herunterfahren auf Knopfdruck ist dabei nur eines von zahlreichen Features. Beispielsweise konfigurieren Sie mit der Software die Taster, wenn Sie nicht so viele Sekunden für einen Shutdown drücken möchten, wie es der Default vorgibt.
