Hardware & Schaltung

Dieses Dokument beschreibt die für den Prototypen der smarten Tischlampe ausgewählte Hardware und deren Verschaltung. Das Design ist auf hohe Energieeffizienz und Modularität ausgelegt.

Schaltungsübersicht

Die folgende Darstellung ist ein funktionales Blockdiagramm, das die logischen Verbindungen zwischen den Hauptkomponenten zeigt. Es dient dem schnellen Verständnis des Systems. Eine detaillierte, technische Schaltung wird nach Abschluss des PCB-Designs in KiCad als Bild exportiert und hier verlinkt.

graph TD
    subgraph "Stromversorgung & Ladung"
        direction LR
        A1(Ladestation 5V) -- "Pogo-Pins" --> B1(TP4056 Modul);
        B1 -- "Laden" --> C1(LiPo Akku 3.7V);
        B1 -- "5V Versorgung" --> D1(ESP32 VIN);
        C1 -- "Akku-Spannung" --> E1(Spannungsteiler);
    end

    subgraph "Controller & Logik"
        direction TB
        F1(ESP32 Dev-Kit)
        E1 -- "V_mess (ADC)" --> F1;
        G1(DS3231 RTC) -- "I2C" --> F1;
        H1(BH1750 Lichtsensor) -- "I2C" --> F1;
        G1 -- "Wake-Up Signal" --> F1;
    end

    subgraph "Beleuchtung"
        direction TB
        F1 -- "Daten" --> I1(WS2812B LEDs);
    end

    style A1 fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style C1 fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px

Komponenten im Detail

Komponente	Spezifikation / Beispiel	Zweck & Begründung
Mikrocontroller	ESP32 Dev-Kit (z.B. Lolin D32)	Das Herz der Lampe. Gewählt wegen des integrierten WLANs, der hohen Effizienz (Deep Sleep) und der starken Community-Unterstützung (WLED). Wichtig: Das Board muss einen Schaltregler (Buck/Step-Down) statt eines LDOs haben, um den Akku effizient von 3.7V auf 3.3V zu wandeln.
LEDs	WS2812B “NeoPixel” Ring	Adressierbare RGB-LEDs, die komplexe Effekte ermöglichen und von WLED nativ unterstützt werden. Ein Ring-Layout sorgt für eine gleichmäßige Ausleuchtung.
Echtzeituhr (RTC)	DS3231 Modul	Ein hochpräziser Zeitgeber, der auch ohne Stromversorgung die Uhrzeit hält. Essentiell, um den ESP32 zur richtigen Zeit aus dem Deep Sleep aufzuwecken, was massiv Strom spart.
Lichtsensor	BH1750 Modul	Misst die Umgebungshelligkeit. Ermöglicht der Lampe, ihre eigene Helligkeit automatisch anzupassen – heller in heller Umgebung, dunkler (und sparsamer) in dunkler Umgebung.
Akku	LiPo-Akku, 3.7V, >2500mAh	Lithium-Polymer-Akkus bieten eine hohe Energiedichte. Die Kapazität wird für eine Laufzeit von mindestens 12 Stunden ausgelegt.
Lademodul	TP4056-basiertes Modul	Ein bewährter und günstiger Ladecontroller für LiPo-Akkus. Er schützt den Akku vor Überladung und Tiefentladung.
Ladekontakte	Pogo-Pins & Kupferflächen	Ermöglichen eine robuste, verschleißfreie Ladeverbindung ohne fummelige Stecker. Ideal für den häufigen Gebrauch in der Gastronomie.
Spannungsteiler	2x 100kΩ Widerstände	Eine einfache Schaltung, um die Akkuspannung (bis zu 4.2V) auf einen für den ESP32-ADC (max. 3.3V) sicheren Wert zu reduzieren.

Pin-Belegung & Verkabelung

Die Komponenten werden wie folgt mit einem typischen ESP32-Board verbunden.

ESP32 Pin	Verbinden mit…	Anmerkung
3V3	VCC von DS3231 & BH1750	Stromversorgung für die I2C-Sensoren.
GND	GND von allen Komponenten	Gemeinsamer Massepunkt ist essenziell.
GPIO 22 (SCL)	SCL von DS3231 & BH1750	Die Clock-Leitung für den I2C-Bus.
GPIO 21 (SDA)	SDA von DS3231 & BH1750	Die Daten-Leitung für den I2C-Bus.
GPIO 16	Daten-Pin (DIN) der WS2812B LEDs	Ansteuerung der LEDs.
GPIO 34 (ADC)	Mitte des Spannungsteilers	Eingang zur Messung der Akkuspannung (nur ein ADC-Pin der ersten Generation).
GPIO 35	SQW-Pin des DS3231	Empfängt das Weck-Signal (Interrupt) von der RTC.

Stromversorgung (Power Path)

1. Die Ladestation liefert 5V über die Pogo-Pins.
2. Die Pogo-Pins sind mit den IN+ und IN- Anschlüssen des TP4056-Moduls verbunden.
3. Der LiPo-Akku ist an B+ und B- des TP4056 angeschlossen und wird von diesem geladen.
4. Der OUT+ und OUT- Ausgang des TP4056 versorgt den VIN-Pin (5V) des ESP32-Boards. Der On-Board-Spannungsregler des ESP32-Boards erzeugt daraus die benötigten 3.3V.

Schaltung für die Akkuspannungsmessung

(Akku +) --- [100kΩ Widerstand] ---+--- [100kΩ Widerstand] --- (GND)
                                  |
                                  +--- (ESP32 GPIO 34)

Diese Schaltung halbiert die Akkuspannung und schützt so den ADC-Pin des ESP32.