Oggi parleremo di una serie di opzioni per poter lavorare con Raspberry PI non direttamente collegato alla linea elettrica (UPS).

Uno dei principali pregi del Raspberry PI (e dei SBC in genere) consiste nelle dimensioni. La scheda madre ridotta ai minimi termini contiene tutte le periferiche necessarie per poter lavorare come e più di un normale PC. L’estrema miniaturizzazione e l’utilizzo di microprocessori ARM consente al Raspy di lavorare a massima potenza consumando appena 7Wh di energia. Purtroppo, però, il PI deve restare collegato alla linea elettrica per poter essere utilizzato, cosa che ne inficia notevolmente la maneggevolezza. A meno che…

Quattro sistemi UPS per il Raspberry PI

Il Raspberry Pi è un computer straordinariamente potente, piccolo e carino. Ideale per applicazioni portatili alimentate a batteria. Ma non è progettato per l’alimentazione a batteria! Ad esempio, il Raspberry Pi Model 3B non dispone di un ingresso batteria diretto e consuma circa 500 mA di corrente durante il normale funzionamento. In altre parole, se gli si fornisce un regolatore per utilizzare le batterie, i tipici pacchi batteria AA garantiranno solo un paio d’ore di utilizzo (vedere il Calcolatore della durata della batteria Raspberry Pi).

Il Raspberry Pi non ha una modalità a bassa potenza! Molte applicazioni non richiedono che il Pi sia sempre alimentato e potrebbero trarre vantaggio dall’emulazione delle tipiche strategie a basso consumo comuni nei moderni sistemi di microcontrollori.

PI-UpTime UPS 2.0

Il Pi-UpTime UPS 2.0 è un prodotto di Alchemy Power Inc. Il sistema è progettato per funzionare con Pi 4 o altri SBC, come Odroid, Asus, Arduino e così via. L’alimentazione viene fornita tramite l’intestazione a 40 pin o tramite la porta di uscita micro-USB. L’alimentazione del Pi e la ricarica della batteria vengono effettuate sul Pi-UpTime UPS 2.0 tramite un connettore USB-C o micro-USB. È possibile utilizzare un solo connettore alla volta per l’alimentazione. Il connettore micro-USB viene fornito per compatibilità con le versioni precedenti. Il Pi-UpTime 2.0 ha le stesse dimensioni di un Pi-4 (o Pi2, Pi3, ecc.) e può essere montato su un Raspberry Pi utilizzando distanziatori da 20 mm per una connessione compatta e meccanicamente sicura.

Un ADC a 12 bit integrato monitora Vin, Vout e la tensione della batteria per informazioni accurate sulle condizioni operative. Il sensore di temperatura sotto la batteria fornisce informazioni precise sulla temperatura della batteria. La ricarica della batteria avviene tra 0°C e 50°C. Non sono necessarie connessioni GPIO o monitoraggio GPIO. ADC fornisce informazioni tramite I²C. È possibile selezionare fino a tre diversi indirizzi I2C tramite i ponticelli J11, J12 per evitare conflitti con altri dispositivi I2C. Viene fornito un codice python di esempio per il monitoraggio dei parametri di sistema e l’arresto del sistema in caso di interruzione dell’alimentazione e batteria scarica.

I collegamenti esterni, tramite punti di saldatura, sono disponibili per I²C, Vin, Battery e Vout. È possibile accedere alle connessioni tramite morsettiere da 2,54 mm (100 mil) o mediante saldatura diretta. Le morsettiere non sono incluse. Sensori esterni o controller esterni come controller Arduino o altri microcontrollori incorporati possono collegarsi alla connessione I2C.

Questi punti di connessione possono essere utilizzati per una batteria esterna, Vin esterna o Vout esterna. La corrente massima per l’intero sistema è 2,5 A. La batteria esterna può essere Li-Polymer, Li-Ion o Li-PO4.

La corrente per l’UPS è limitata a 2,5 A tramite una resistenza limite di corrente. Poiché il connettore USB fornisce alimentazione per caricare la batteria e fornisce alimentazione anche ai dispositivi collegati tramite Pi-UpTime UPS 2.0, si consiglia un alimentatore da 3,5 A. Si consiglia anche di utilizzare il connettore USB-C per l’alimentazione.

L’alimentazione UPS a 3,3 V è disponibile tramite la morsettiera J2. Da questo collegamento è possibile prelevare un massimo di 0,7 Amp. Ciò è utile per fornire alimentazione a sensori esterni, IoT e altri dispositivi elettronici.

Il sistema è disponibile su Amazon.it ad un prezzo attorno ai 66 euro.

Sleepy PI

Sleepy PI è prodotto da Spell Foundry, un’azienda inglese specializzata in add-on per Raspberry Pi. Ci troviamo di fronte ad una scheda add-on dedicata allo Smart Power Management, con GPIO addizionali. Di seguito le specifiche tecniche.

• Alimenta Raspberry Pi a Batteria
• Estende il tempo di vita delle batterie da ore a settimane o mesi
• Opera la funzione Deep Sleep, con la funzione Wake on Event or Time
• Dispone di Arduino on-board per programmi utente
• Dispone di I/O analogico e PWM tipico di Arduino
• Offre orologio real-time e calendario gestito dalla batteria
• Evita il degrado della SD Card grazie ad uno shutdown software appropriato
• Funziona con tutti i modellli di Raspberry PI a 40 pin (Zero/W, A+, B+/Rpi2, Rpi3B/3B+ and Rpi 4)

I sistemi di monitoraggio passano in genere ad una modalità di “sospensione” a basso consumo ogni volta che non vengono utilizzati e si “svegliano” solo quando hanno bisogno di fare qualcosa. Lo Sleepy Pi consente all’RPi di spegnersi da solo quando non viene utilizzato per risparmiare energia e di riattivarlo quando ha del lavoro da fare. Tipicamente a intervalli di tempo o quando un segnale del mondo reale richiede attenzione.

Prendiamo ad esempio un progetto Timelapse a lungo termine. Occorre scattare una foto ogni 10 minuti e salvarla. Ci vogliono circa 10 secondi per scattare e memorizzare. Cosa fa l’RPI con gli altri 9 minuti e 50 secondi? Anziché scaricare le batterie o sprecare altra elettricità di rete il sistema si pone in “sleep mode” per consumare meno energia. Un timer interno provvederà a calcolare il periodo di riposo, e a riaccendere l’apparato quando necessario.

Sleepy PI dispone di un micorcontroller ATMEGA338P (Arduino) a 8 MHz, ed un real-time clock a bordo. Può essere acquistato sul sito del produttore ad un prezzo inferione alle 40 sterline.

Witty PI

Witty Pi è una piccola scheda di espansione prodotta da UUGEAR, che può aggiungere un real-time clock ed un gestore dell’alimentazione al Raspberry Pi. Witty PI non ha caratteristiche di UPS.
Dopo l’installazione di Witty Pi verranno aggiunte alcune nuove funzionalità:

• Possibilità di accendere / spegnere correttamente Raspberry Pi con un singolo tocco sull’interruttore.
• Spegnimento completo di Raspberry Pi e tutte le sue periferiche USB.
• Mantenimento di data e ora attuale anche da spento e senza accedere a Internet.
• Programmazione dell’avvio / spegnimento del Raspberry Pi.

A questo indirizzo è disponibile un manuale completo delle funzionalità disponibili.

Witty Pi necessita di supporti software molto facili da personalizzare, tramite bash scripts sotto Linux, per attivare tutte le funzionalità. Negli script bash, si comunica con GPIO attraverso la libreria wiringPi per interagire con i pin GPIO. È comunque possibile utilizzare altre utility. Tutti gli script bash, incluso lo script di installazione, si trovano sotto Github.

Al momento la versione per Raspberry PI 4 non è stasta ancora rilasciata. La scheda viene venduta sul sito del produttore ad un prezzo di poco superiuore ai 20 euro.

PiJuice

Di PiJuice  e PiJuice Zero avevamo già parlato lo scorso anno. Il sistema utilizza Batteria Lipo/LiIon integrata da 1820 mAh con una durata di circa 4-6 ore in uso costante (supporto per batteria Lipo più grande da 5000 o 10.000 mAH + per durare fino a più di 24 ore). Alimentazione ininterrotta tramite UPS.

Progettato per Raspberry Pi A +, B +, 2B, 3B, 3B +, 4B, Raspberry Pi zero v 1.3 Raspberry Pi Zero Wireless e qualsiasi altro Raspberry Pi con 40 pin GPIO, PiJuice offre:

• Real Time clock integrato.
• Batteria ricaricabile.
• Switch On/Off intelligente.
• Stato di deep-sleep a basso consumo con riattivazione/interruzione/evento programmato.
• 2 Led RGB multicolor programmabili.
• 3 pulsanti con funzioni programmabili.
• Timer watchdog hardware per mantenere acceso e funzionante Raspberry Pi in applicazioni remote mission-critical.
• API di gestione completa dell’energia disponibile per il sistema operativo Raspberry Pi con funzionalità di spegnimento automatico quando le batterie sono quasi scariche.
• Layout compatibile con HAT Raspberry Pi, EEPROM integrata per un facile funzionamento plug and play.
• Design low profile, per adattarsi a diversi case esistenti.
• Interfaccia utente grafica (GUI) migliorata disponibile per una facile installazione (tramite APT).
• Script personalizzabili per una maggiore flessibilità e un rapporto completo sullo stato della batteria.
• Tutti i GPIO disponibili tramite stackable header per facilità di espandibilità e connettività.
• Ricarica tramite micro USB integrata o tramite micro USB Raspberry Pi (o dai pin sulla scheda).

Le batterie possono essere caricate da diversi tipi di fonti e tensioni.
Sostituzione della batteria senza down-time. Compatibile con qualsiasi batteria LiPo o LiIon a cella singola.
Design completamente testato CE e FCC. Testato anche per la sicurezza della batteria.

Per approfondimenti e informazioni, consultare il sito del produttore

PiJuice HAT viene venduto ad un prezzo di circa 48 sterline.

Considerazioni finali

Come abbiamo visto assieme, abbiamo a che fare con quattro sistemi dalle caratteristiche differenti. Consigliarne uno o l’altro dipende esplicitamente dalle necessità (e dal budget!) dell’utente finale. Si tratta comunque di schede affidabili, blasonate e di pregevole fattura, per lo più configurabili via software con una manciata di istruzioni. Notevole in alcuni casi la possibilità di uscire dallo sleep mode grazie ad un segnale esterno, prodotto da un sensore o dal cambiamento di stato di un sottosistema.

Nati come giocattoli, questi piccoli sistemi stanno raggiungendo una maturità che ne estende ulteriormente flessibilità e affidabilità.

Link utili

• Alchemy Power Inc. ups Pi-UpTime 2.0 per Pi-4, Pi-3 o Altri SBC
• Sleepy PI 2 – USB-C
• Witty PI 3: Realtime Clock and power management for Raspberry PI
• PiJuice HAT – A Portable Power Platform For Every Raspberry Pi