Progetto Outdoor Raspberry Pi: Sfida Gestione Temperature

[Chris_VdS]

Ciao a tutti,

sono Chris e sono un data scientist. Oggi vi chiedo aiuto per raccogliere idee su come risolvere una sfida difficile: la gestione delle temperature in ambiente chiuso con Rasberry Pi 5 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

Edited Friday at 09:21 AM by Chris_VdS

[Livio Orsini]

58 minuti fa, Chris_VdS ha scritto:

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

 

Come termometro puoi usare una sonda DS18B20.  Ottima sonda, robusta, misura tra -55°C e +125C. Si legge in digitale tramite il bus Dallas One Wire.

Come elemento riscaldante/rinfrescante userei una cella di peltier che può funzionare in entrambi i sensi, basta invertire le alimentazioni

[Marco Fornaciari]

Per quel che ne so, dovresti rivolgerti a produttori e progettisti di apparecchiature per uso in ferrovia all'aperto, le condizioni di esercizio prevedono:

- Temperatura minima -50°

- Temperaturta massima +70°

- Umidità 100% se ricordo bene

Direi che anche nel settore petrolchimico e della costruzione di elettrodotti e SSE ci sono esperti di questi problemi.

 

Diversamente bisogna gestire la climatizzazione e pure gestire la messa in tensione delle apparecchiature elettroniche: in mancanza di tensione, tipicamente, vanno rialimentate quando la temperatura ambiente è almeno +5° da diversi minuti, diversamente si danneggiano.

 

Poi a livello di ricerca pura e laboratorio va tutto bene, tanto c'è chi paga e se non funziona pazienza, si "inventa" qualcosa d'altro.

[Chris_VdS]

Grazie mille Livio, avere un'esperienza diretta di utilizzo è preziosissimo. Certamente, cercherò la DS18B20.

Riguardo la peltier, senz'altro, stiamo parlando con altri appassionati come voi e anche loro confermano che la peltier sembrerebbe la soluzione più logica.

 

Grazie mille anche a te Marco! La soluzione di usare componenti già 'industriali' è senz'altro sul tavolo. L'avevo al momento qualificata come cadetta perché come dicevo non è sempre facile trovare poi tutti i componenti di quel tipo, ma rivolgermi al comparto ferroviario/elettrodotti è stata una dritta veramente intelligente a cui non avevo pensato. Hai per caso un qualche contatto/link a cui posso dare un'occhiata? 

 

Quote

Diversamente bisogna gestire la climatizzazione e pure gestire la messa in tensione delle apparecchiature elettroniche: in mancanza di tensione, tipicamente, vanno rialimentate quando la temperatura ambiente è almeno +5° da diversi minuti, diversamente si danneggiano.

Questo non lo sapevo, grazie di cuore.

 

Quote

Poi a livello di ricerca pura e laboratorio va tutto bene, tanto c'è chi paga e se non funziona pazienza, si "inventa" qualcosa d'altro.

 

Qui è una via di mezzo, è ricerca ma applicata e ho un budget 'fiducia' per così dire, ma chiaramente sono legato a portare risultati funzionanti e bene. E' per questo che ho chiesto aiuto a voi e a tutti i forum di pi e elettronica dove ero sicuro di trovare persone in gamba