Progetto outdoor Raspberry Pi: sfida gestione temperature

[MarcoCris]

Ciao a tutti,

oggi vi chiedo aiuto per raccogliere idee su come risolvere una sfida difficile: la gestione delle temperature in ambiente chiuso con RasPi e altri componenti, come da titolo.


Sto seguendo il progetto di una fototrappola outdoor con una rete neurale caricata su rasberry Pi 5 per il riconoscimento di alcune specie particolari di animali.


Ho già selezionato i vari componenti e sono arrivato a una fase cruciale che riguarda la gestione delle temperature.


Mi spiego meglio:


Per motivi di ricerca che esulano da questa trattazione, assieme al pi 5 ci sarà un piccolo amplificatore audio da 50 W, un sensore di movimento (doppler), un modulo di trasmissione Lte, una camera NoIR v2, e -questo fa parte della domanda- un altro elemento di cui parlerò tra poco, oltre ai relativi relè e alimentatori.


L'alimentazione sarà cablata e fornita dall'illuminazione urbana, quindi non saranno necessari pannelli fotovoltaici.


Non esistendo in commercio una scocca specifica per i vari componenti che dovrò inserire, verrà creata su misura in uno qualunque dei materiali disponibili per le bobine. Non ho restrizioni di budget, né per il pi né per gli altri componenti.


Il problema è questo, ed è un problema ben noto, ossia le gestione termica del pi:
il sito di installazione sarà una zona con temperature invernali molto rigide, che possono scendere fino a -15 o -20 gradi, quindi sotto la soglia di funzionamento dei componenti normalmente impiegati in progetti come questo.


Vorrei evitare se possibile di usare componenti resistenti a temperature rigide (industriali), perché è una soluzione logica e corretta, ma si dovrebbe poi applicare a domino a tutti gli altri componenti, e purtroppo non sempre è semplice trovarne.


E' una sfida più difficile, ma se avete idee, gestire e controllare la temperatura dell'ambiente all'interno della scocca sarebbe più interessante.


Una possibile soluzione per le temperature rigide potrebbe quindi essere quella di impiegare una resistenza riscaldante (ecco l'elemento di cui parlavo qualche riga fa) controllata dal raspi monitorando la temperatura con un sensore, ma chiedo idee a voi del forum che so essere popolato da persone che hanno già esperienza di progetti pi se non va bene e se avete altre proposte.


Per quanto riguarda invece l'apice opposto dell'optimum, ossia la temperatura massima, ho visto soluzioni proposte con ventole, prontamente smontate dalla community per i ben pronosticabili problemi all'aperto, sia con agenti biologici come insetti e polline, che abiotici come punto di rugiada, condensa, ossidazione dei pin, ecc. che ci porteremmo dietro insieme all'aria umida e non solo.


Qui il video a cui mi riferisco:
https://www.youtube.com/watch?v=ccMmqs5n_o8


Proverei a cercare soluzioni possibilmente passive per la parte di dissipazione e con sali silica gel da sostituire periodicamente per la condensa, ma chiedo idee a voi forum.


Dati:
1) il pi5 sarebbe costantemente acceso con la rete neurale caricata, 2) sarebbe in attesa di un segnale dal sensore doppler, 3) arrivato il segnale, a quel punto partirebbe la sequenza di scatto dell'immagine, sua classificazione, e decisioni a valle, ma questo chiaramente solo per pochissimi eventi durante il giorno, la stragrande maggioranza del tempo sarebbero attive le sole fasi 1) e 2)


al calore legato a queste funzioni sarebbe da aggiungere anche il calore legato all'alimentatore da 75-100 W per alimentare collettivamente pi e tutti gli altri componenti, ognuno secondo necessità

Un'idea interessante che mi è stata proposta da qualcuno di molto in gamba, è di usare una cella di Peltier. Senz'altro una bella idea.


La cosa che mi fermava è il fatto che simultaneamente da un lato raffreddi, ma dall'altro riscaldi, e in ambiente chiuso temevo che questo portasse a un sostanziale bilanciamento termico neutro (ma sarei volentieri smentito perché risolverebbe il problema in un secondo).


Senz'altro la tolleranza termica del pi con le soglie di 80 e 85 ci dà un vantaggio, ma in un ambiente chiuso e con un volume ridotto ho paura che la temperatura sia destinata a salire nel corso di alcune ore, dovendo poi attendere tempi molto lunghi per la dissipazione tramite le pareti.


Avrei pensato a delle idee ibride:
Abbiamo il vincolo della scocca sigillata per evitare introduzione di aria esterna che provochi ossidazione e altro, ma abbiamo la necessità di uno scambio termico che le pareti è possibile e anzi pronosticabile non garantiscano.


Per questo avrei pensato a un sistema ibrido scatola nella scatola, ossia:
una scatola interna sostanzialmente sigillata, contenuta in un'altra scatola provvista di aperture verso l'esterno.


La scatola interna sarebbe provvista di sali anti condensa e di fori per permettere a dei componenti in metallo conduttivo come rame o alluminio, di scambiare con l'intercapedine che invece ospiterebbe aria esterna liberamente circolante.

I componenti di scambio passanti o in corrispondenza dei fori nella parete al momento potrebbero essere:

A) dei tubi di rame in cui l'aria venga forzata da una ventola in entrata e una in uscita (l'aria non è certo un campione nel dissipare energia, con le ventole proveremmo a ottimizzare la circolazione)

B) dei dissipatori in rame o alluminio classici con le lamelle o le colonne, fissati alla parete e con gli elementi dissipativi 'a bagno' nell'aria fresca dell'intercapedine

C) fissare la cella di Peltier a una parete rivolgendo il lato caldo verso l'esterno, ammettendo che le sue temperature di lavoro siano compatibili con le pareti della scocca stampata in 3d

Nel caso A) i fori sarebbero dei normali fori circolari con guarnizioni comuni, mentre nei casi B) e C) il foro sarebbe poligonale con sistemi di tenuta più difficili, sia in termini di guarnizioni che in termine di fissaggio tramite viti alle pareti.


Tutto dipende da quanto nella vostra esperienza possa valere la pena di usare uno o gli altri sistemi.


Cosa usereste per gestire la temperatura per un progetto outdoor durevole?

Grazie a chi vorrà darmi una mano

[luxinterior]

Ci sono quelli che in due righe ti chiedono aiuto sperando nella sfera di cristallo e ci sono quelli che bisogna prendersi un giorno di ferie per leggere tutto.

Una possibile soluzione per le temperature rigide potrebbe quindi essere quella di impiegare una resistenza

Nei parcometri per il pagamento della sosta che vedi nelle città c'è questa soluzione Risolvi i problemi di temperatura bassa e condensa.

Cella di Peltier meglio aspettare se qualcuno l'ha già utilizzata ma che io sappia deve mantenere la differenza di temperatura per funzionare. Non aiuta a smaltire il calore, anzi se lo fa viene meno il suo perché

[dadduni]

un approccio drasticamente diverso che pero' risolve problemi di temperatura e di power sarebbe quello di remotizzare la Rete Neurale. Visto che il modulo e' esposto alle intemperie e hai un modulo LTE, potrebbe comodo rendere questo oggetto il piu' piccolo possibile e il meno complesso possibile, delegando ad una macchina remota tutta la complessita'. Visto che si tratta di pochissimi scatti al giorno, magari risulta sufficiente un processore di piccole dimensioni, che comanda la telecamera e carica il tutto su... qualcosa (server FPT? Cloud ad-hoc? connessione di qualche tipo insomma). Un normale PC raffreddato a dovere e riscaldato a dovere dentro un luogo facile da accedere fa i calcoli e le classificazioni. Cosi' in caso di manutenzione la scatoletta esterna sarebbe economica e facile mentre tutta la complessita' starebbe in un oggetto molto piu' "comodo" come un singolo PC (che a quel punto potrebbe analizzare anche risultati di molte fotografie).

[Etemenanki]

Finquando si tiene presente che le celle di peltier non sono "magiche", ma assorbono parecchia energia per creare la differenza di temperatura fra i due lati, tanti problemi non ne danno, anche se in condizioni particolari non sono il massimo ... ne ho usate diverse in passato, e non sempre con risultati ottimi, ma neppure catastrofici.

Le celle di Peltier sono solo delle "pompe di calore" a stato solido, non particolarmente efficenti peraltro, che "spostano il calore" dal lato "freddo" al lato "caldo" (detta in termini semplici, senza andare sul tecnico), e per farlo richiedono loro stesse una certa quantita' di energia, che viene dissipata sotto forma di calore sul lato "caldo" (ragion per cui il lato "caldo" sara' sempre piu caldo in proporzione al calore spostato del lato "freddo" ) ... e' possibile anche usarle in modo bidirezionale, ma con un minimo di accortezza.

Prima di tutto, in un caso come il tuo, durante il "riscaldamento" del lato all'interno della scatola, sara' necessaria meno energia che per la funzione opposta, e si dovra' prevedere, se le temperature esterne saranno cosi basse, di farla funzionare "ad intermittenza", in modo che periodicamente il lato esterno si scaldi pure lui e non finisca per trasformarsi in un blocco di ghiaccio a causa del congelamento dell'umidita' esterna ... vanno ricordate sempre due cose, quando si progetta qualcosa che usa una cella di Peltier, e cioe', primo, la massima differenza "teorica" che si puo raggiungere fra i due lati e' di 70C, ma realisticamente ci si puo aspettare una differenza fra 50 e 55 C, se si realizza bene la parte "meccanica" del blocco ... e secondo, la cella di per se' non e' assolutamente un isolante termico, anzi, da spenta trasmette il calore di una faccia all'altra abbastanza velocemente (nella tua situazione la cosa viene utile per "scongelare" il lato "freddo" durante l'uso come riscaldatore, se si prevede all'interno un dissipatore abbastanza "massiccio" , non tanto "esteso", quanto proprio di massa abbastanza elevata).

In questa condizione, quando scaldi l'interno, la parte massiccia del dissipatore accumulera' un bel po di calore, cosi nei momenti in cui spegni la cella, tale calore fluira' verso il dissipatore esterno scongelandolo periodicamente ... allo stesso tempo sara' necessario prevedere qualcosa che ripari dal vento il dissipatore esterno, in questa modalita' di funzionamento, ma puo essere fatto organizzando la geometria della parte che racchiude tale dissipatore.

Al contrario, quando si usa una cella di queste per raffreddare l'interno, il sistema dovra' prevedere l'alimentazione continua della cella con una corrente minima, proprio per prevenire lo spegnimento completo ed il conseguente trasferimento del calore esterno di nuovo all'interno.

Ti servira' un driver a corrente costante (meglio quello che basarsi solo sulla tensione di alimentazione), che possa funzionare in entrambi i modi, ON/OFF con corrente di ON regolabile per il riscaldamento, e ON/minima corrente, sempre con corrente di ON regolabile, per la fase di raffreddamento, poi ti serviranno due dissipatori, uno almeno il triplo di superfice dell'altro (lato esterno), e probabilmente un blocchetto di alluminio o rame con due lati il piu piatti possibile per accoppiare la cella al dissipatore interno attraverso lo spessore della scatola e dell'isolamento termico (le celle sono abbastanza sottili, inoltre mettendo il blocchetto verso l'interno si aumenta la massa complessiva del dissipatore del lato interno) ... ti servira' anche una ventolina sul dissipatore interno per far circolare bene l'aria, e se ne trovi una per uso esterno, anche una bella ventola grande per il lato esterno (sconsiglio quelle per PC sul lato esterno, non durerebbero molto a lungo).

Tieni presente comunque che le mie sono necessariamente solo informazioni di massima, non conoscendo le caratteristiche precise del tuo sistema non posso darti informazioni piu precise.

[MarcoD]

Non fornisco soluzioni, ma cerco di sintetizzare il problema:

Hai una "elettronica" che dissipa 50 W ?, in un contenitore stagno o resistente alla pioggia, grosso come una scatola da scarpe o un mattone? con pareti in plastica o metalliche.
Con temperatura ambiente esterna compresa
fra +35 C° (estate al sole?) e -20 C°(inverno).

Secondo me 50 W è una potenza tale da provocare un aumento di temperatura di almeno 20 C° rispetto alla temperatura ambiente.

Forse serve un ventilatore 5V 0,25 A all'interno per uniformare la temperatura interna.

Più che un progetto su dati teorici, costruirei un prototipo di meccanica con una fonte di potenza termica e sensori di temperatura e condurrei prove in una camera termica.

[MarcoCris]

Messaggio singolo per non riempire il forum, ma rispondo a tutti, per ordine:

@luxinterior
per la lunghezza, odio scadere nel 'ho il problema X, me lo risolvete?' seguito da 25 messaggi di dettagliamento un pezzo alla volta spalmati su 5 giorni, perché mi fa sentire una quindicenne su Cioè, ma ti chiedo scusa se ti ho preso tanto tempo.

Grazie per la conferma, non sapevo che i parchimetri usassero resistenze e mi fa molto piacere. Quindi per il riscaldamento abbiamo una soluzione super sperimentata.


@dadduni
sì hai ragione dadduni, delocalizzare sarebbe un'idea geniale e l'avevo vagliata, sarebbe migliore per una serie di motivi..hai ragione. purtroppo sai cosa mi ha fermato? la reazione deve essere quasi-immediata (non dico il classico 'kill on sight', ma il tempo di ingaggio deve essere più o meno quello), e l'invio - elaborazione - reinvio della risposta penso possa prendere diversi secondi. ma vorrei tanto aver potuto usarla come soluzione

@Etemenanki
Grazie per la risposta precisissima, già solo

'per farlo richiedono loro stesse una certa quantita' di energia, che viene dissipata sotto forma di calore sul lato "caldo" (ragion per cui il lato "caldo" sara' sempre piu caldo in proporzione al calore spostato del lato "freddo" )'

è una grandissima risposta a quello che intuivo, ossia che in un ambiente ristretto e chiuso una peltier non gioverebbe tantissimo perché ci sarebbe un quasi-bilanciamento termico essendo necessariamente due le superfici coinvolte e di segno termico opposto, anzi a essere precisi con lieve tendenza al riscaldare per via del lavoro compiuto come dicevi. Quindi se c'è, debba essere posta necessariamente con la superficie con temperatura 'sgradita' che butta verso l'esterno.

Venendo a noi:
per il riscaldamento non penso di usare la peltier perché ci sarebbero da considerare i problemi di formazione del ghiaccio e delle varie programmazioni come hai giustamente detto tu, quindi resterei sulla soluzione con resistenze che luxinterior ci ha confermato essere papabile perché impiegata comunemente per i parchimetri

Per il raffrescamento invece penso che la peltier come l'hai immaginata tu sia molto vicina alla soluzione. Ti chiederei solo due precisazioni:

1) se mi puoi rispiegare come disporresti le varie cose perché penso di aver fatto confusione su un punto*

2) Se il forum lo consente, se mi potresti linkare un esempio dei componenti che useresti

*il punto è:

'per accoppiare la cella al dissipatore interno attraverso lo spessore della scatola e dell'isolamento termico (le celle sono abbastanza sottili, inoltre mettendo il blocchetto verso l'interno si aumenta la massa complessiva del dissipatore del lato interno)'

Sei stato preziosissimo, altro che 'non posso darti informazioni più precise' sei già stato precisissimo, tra l'altro come diceva luxinterior sono esperienze molto preziose quelle con le peltier in questo ambito

@MarcoD

Grazie mille per aver sintetizzato Marco!

Hai una "elettronica" che dissipa 50 W ?

Sì, anzi forse cautelativamente starei anche sui 75-100

in un contenitore stagno o resistente alla pioggia, grosso come una scatola da scarpe o un mattone? con pareti in plastica o metalliche.

Sì esattamente. le pareti sono in 'plasitca' (in senso ampio), perché verranno stampate con stampante 3d, con uno qualunque dei materiali disponibili per le bobine, in funzione delle caratteristiche migliori, se qualcuno ha dati a riguardo

Con temperatura ambiente esterna compresa
fra +35 C° (estate al sole?) e -20 C°(inverno).

Esattamente.

Forse serve un ventilatore 5V 0,25 A all'interno per uniformare la temperatura interna.

Mescolare l'aria male sicuramente non farebbe. Se ci sarà posto sarebbe sicuramente da considerare. (la scocca è vero che è custom e le misure le possiamo variare, ma abbiamo comunque dei range perché sia accettabile.

Più che un progetto su dati teorici, costruirei un prototipo di meccanica con una fonte di potenza termica e sensori di temperatura e condurrei prove in una camera termica.

Sì quello (esclusa la camera termica che non è disponibile) è esattamente l'obiettivo. sto raccogliendo le idee per vedere se almeno in linea teorica è fattibile prima di procedere.

[Franco012]

Una possibile soluzione per le temperature rigide potrebbe quindi essere quella di impiegare una resistenza

Nei parcometri per il pagamento della sosta che vedi nelle città c'è questa soluzione Risolvi i problemi di temperatura bassa e condensa.

Questo sistema è analogo a quello impiegato nelle custodie per telecamere situate all'esterno, per eliminare la condensa (che si forma tipicamente nelle prime ore del mattino) sul vetro davanti all'obiettivo: un sensore di umidità, posto all'interno della custodia, attiva una resistenza posta alla base del vetro, riscaldandolo ed eliminando così la condensa.
Con qualche piccola modifica il sistema può essere adattato per regolare la temperatura, anziché l'umidità.

[alev]

Le specifiche dei componenti del Pi 5 sono tali per cui il suo funzionamento è stabile con una temperatura di circa 65-70 °C
https://www.raspberrypi.com/news/heatin ... erry-pi-5/

A mio parere, non vedo la necessità di gestire in alcun modo la temperatura della unità Pi 5 con l'aggiunta di moduli per riscaldare, credo sia ampiamente sufficiente utilizzare un contenitore che lo isoli dall'esterno rispetto all'umidità

Per quanto riguarda la rete di sensori dedicati alle funzioni di progetto, penso sia necessario individuarne di adeguati al range delle temperature ambientali

[MarcoCris]

@Franco012
sì esatto, è una tecnica abbastanza comune per evitare la condensa sulle lenti

@alev
sì avevo letto anch'io l'articolo molto interessante che hai citato, e in ambiente 'non-chiuso' tra throttling e active cooling sono d'accordo con te che per usi normali tutti i possessori possano dormire sonni più che tranquilli.

Nel caso di ambienti chiusi però la cosa penso sia leggermente diversa (e sarei curioso di rivedere i test), perché nel corso delle ore la temperatura della poca aria presente, non potendo ricambiarsi con altra più fresca, finirebbe con buona probabilità per scaldarsi sempre più

Per quanto riguarda i sensori, al momento mi è solo stata consigliata la sonda DS18B20 https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/58557/DALLAS/DS18B20.html

ma se qualcuno ha esperienza in merito e ha altri nomi è più che benvenuto

[alev]

Nel caso di ambienti chiusi però la cosa penso sia leggermente diversa (e sarei curioso di rivedere i test), perché nel corso delle ore la temperatura della poca aria presente, non potendo ricambiarsi con altra più fresca, finirebbe con buona probabilità per scaldarsi sempre più

Beh, il contenitore del Pi non deve essere totalmente sigillato rispetto all'esterno, la ventola in dotazione al Pi deve poter usufruire di adeguato afflusso di aria fresca (nel senso non-riciclata) e adeguato sfogo dell'aria utilizzata

Naturalmente, le aperture di ingresso/uscita dell'aria devono essere calibrate (in dimensione) per ottenere un certo equilibrio a regime (prove e ri-prove sperimentali) ed orientate in modo da ridurre al minimo l'ingresso di umidità (che non va d'accordo con i circuiti elettrici)

Infine, considera che Raspberry è una piattaforma matura (pur con i suoi limiti) e qualcuno si è già posto i problemi che ti stai ponendo tu, magari con versioni meno recenti ma gli spunti per risolvere i problemi possono essere ancora validi nei princìpi

https://www.makeuseof.com/raspberry-pi- ... -outdoors/