The Torch
4. Juni 2017
Klimawerte per HTTP abrufen
4. Juni 2017
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Wetterstation mit Spark.IO

  • Schwierigkeitsgrad Mechanik33%
  • Schwierigkeitsgrad Elektronik32%
  • Zeitaufwand75%
  • Kosten60%
Vorgeschichte
Man kann billig einfache Wetterstationen für den Hausgebrauch kaufen. Ein aussen montiertes Gerät misst Temperatur und Feuchte. Diese Daten sendet es an die Basisstation im Innern des Hauses, welches ebenfalls Temperatur, Feuchte und Luftdruck misst. Diese Basisstation zeigt dann auf seiner Anzeige gemessene Wetterdaten an und gibt sogar Prognosen über kommende Werte.
Leider lässt meist die Qualität zu wünschen übrig und man möchte etwas mehr substantielles zum Selberbauen als eine billige Elektronik.

Natürlich sind selbstgebaute Wetterstationen denselben Fehlerquellen ausgesetzt. Weil man hier jedoch Einfluss auf die Beurteilung der Messwerte nehmen kann, sind Verbesserungen leichter möglich.

Eine Wetterstation im eigenen Vorgarten zu betreiben ist alles andere als einfach. Meist sind die lokalen Verhältnisse eher ungeeignet und mit Einschränkungen versehen. So ist eine Windmessung innerhalb einer Überbauung kaum representativ. Die gemessen Temperaturen sind evtl. höher als die der offenen Umbgebung und die unnatürliche Abschattung durch Bauten beeinflusst alle Sensoren zugleich. Trotzdem zeigt eine solche Messstation sehr interessante Daten zur Umwelt.

Bei der Suche nach einem geeigneten Standort im Garten und der Konstruktion, wurde ich auf die Möglichkeit zur Unterstützung von Wildbienen aufmerksam. Die Station sollte erhöht über dem Boden stehen. Dazu kann man ein Dreibein verwenden oder einen Pfosten setzen. Die Rasenfläche ums Haus wurde bereits vor geraumer Zeit durch einen pflegeleichten Steingarten abgelöst. Was liegt also näher als die Wetterstation auf eine Gittersteinsäule zu setzen?
Introbild

Projekt Update

Herbst 2014: Das Wetter war nicht sehr sonnenreich und so sind die Akkuwerte kontinuierlich in den Keller gefallen. Dabei hat sich eine der NiCd Zellen verabschiedet. Mit 3V läuft der Spannungswandler zwar noch, er fordert aber auch entsprechenden Strom an. Bei leeren Akkus ist das nicht möglich. So muss wohl der Spannungswandler und der Akku eine Art Spannungspendler gebildet haben. Als Resultat ist der Spark.IO Prozessor vermutlich wegen Brown-Out Effekten Hops gegangen. Er lässt sich zwar noch irgendwie beeinflussen, ein Programm bekommt man aber nicht mehr zum laufen.

Hier möchte ich der Spark.IO Crew herzlich danken. Nachdem ich mich im Forum mit dem Problem gemeldet habe, und nach diversen Versuchen keine Lösung in Sicht war, haben Sie mir einfach einen neuen Core ohne Kosten für mich zugestellt. Herzlichen Dank dafür.

Spezifikationen

Wildbienen: Wildbienen und andere interessierte Lebewesen sollen verschiedene Angebote zur Behausung erhalten. Dazu sollen verschiedene Arten von Angeboten geschaffen werden.

Wetterdaten: Mittels verschiedener Sensoren werden Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit, Farbspektrum, und die elektrischen Werte der Solarzellen gemessen. Diese werden anschliessend per WLAN auf einen kleinen Raspberry Pi Webserver übertragen und dort in einer Datenbank gespeichert.

Stromversorgung: Ein Solarpanel versorgt einen NiCad Akku mit Energie. Das Energiemanagement ist so ausgelegt, dass nur Strom für die Messung der Sensoren und das Versenden der Daten benötigt wird. In der übrigen Zeit ist das System im Schlafmodus. Sollte wieder erwarten die Akkuspannung auf einen kritischen Wert sinken, werden die Messintervalle auf ein mehrfaches (30 min.) erweitert. Im Falle einer zu hohen Akkuspannung wird auf den Schlafmodus verzichtet. Aufgrund mehrmonatiger Erfahrung können die Akkus auch bei vermeintlicher Überspannung voll geladen werden. Grund für die Überspannung sind hohe Leitungswiderstände, welche das Messsignal beeinflussen.

Elektronik

Sensoren
bmp085
BMP085: Zuverlässiger und von vielen Herstellern als Breakoutmodul verfügbarer Luftdrucksensor. Er beinhaltet zusätzlich noch einen Temperatursensor der für eine adequate Bestimmung der absoluten Höhe nötig ist. In diesem Projekt wird er nicht verwendet.

Leistungsdaten:
Spannungsbereich: 3 – 5V
Logik: 3 – 5V verträglichDruckbereich: 300 – 1100 hPa (-500 bis 9000m Meereshöhe)
Auflösung: 0.03 hPa / 0.25m
Temperaturbereich: -40 bis +85 Grad, +/- 2 Grad Temperaturgenauigkeit

Protokoll: I2C

Datenblatt
 
dht22
DHT22: Sensormodul für Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Dieser Sensor ist weit verbreitet und verwendet ein eigenes Datenprotokoll. Er ist eigentlich nicht für den Einsatz im Freien vorgesehen da der Sensor bei nahezu 100% Luftfeuchtigkeit eine erhöhter Alterung und Messfehler erzeugt. Es gibt weitere Sensoren die einen gleichen Aufbau und Protokoll aufweisen, aber nicht denselben Messbereich und Auflösung besitzen.

Protokoll: Special

Datenblatt
 
tcs34725
TCS34725: Dieser Sensor misst mit seiner RGB Messzelle die Farbe und Itensität von sichtbarem Licht. Eine auf dem Board vorhandene weisse LED kann das zu messende Objekt direkt beleuchten. Natürlich sind die Messwerte mit diesen Sensor nicht direkt wissenschaftlich verwendbar, weil nicht kalibriert. Trotzdem zeigen die Kurven in der grafischen Auswertung durchaus die vorherrschende Tagessituation sei es Hochnebel, Abendrot oder blauer Himmel.

Protokoll: I2C

Datenblatt
 
ina219
INA219: Die von Adafruit vertriebene Messbrücke misst die Spannung einer Eingangsquelle und den, welcher über den Shuntwiderstand abfällt. Daraus lassen sich Strom und Leistungsdaten ableiten. In diesen Projekt wird der Sensor benutzt, um die Leistung des Solarpanels zu dokumentieren.

Protokoll: I2C

Datenblatt
Schaltung / Board
schemata
Das elektrische Schema ist sehr einfach. Drei Sensoren sind mit dem I2C Bus verbunden. Der vierte Sensor bekommt seinen eigenen Datenpin. Die Solarzellen werden gegen Rückstrom vom Akku mit einer Schottky-Diode geschützt. Die Spannung vom Akku wird über einen Step-Up/Down Wandler in stabile 3.3V umgewandelt. Der Eingangsspannunsbereich des Wandlers beträgt 2.4 – 8Volt. Die interne serielle Schnittstelle wird fürs debuggen nach Aussen geführt. Ein Jumper erlaubt den Betrieb in zwei Softwaremodi.
 
SAM_0916
Eine Aufnahme der Unterseite der einseitig gefrästen Leiterplatte. Was noch fehlt ist die vergessene Lötstelle und die Schottkydiode in der unteren linken Ecke.
 
SAM_0917
Es ist bemerkenswert, dass Dank den hoch integrierten Modulen es wieder möglich ist, einseitige Platinen zu fertigen. Hier reichen ganze fünf Nullwiderstände um die nötigen Brücken zu bilden.
 
SAM_0977
Ein erster Test mit der finalen Platine. Ein einzelliger Lipo-Akku versorgt das System mit Energie. Zu sehen sind flach das Spark.IO Modul, den Barometer (rot) und den Farbsensor. Senkrecht stehen rechts der Power-Sensor, links der Spannungswandler.
 
SAM_0986
Hier sieht man die innen im Häuschen liegende Seite der Elektronik mit dem DHT22 Sensor. Die anderen Kabel sind vom Akku und vom Solarpanel.

Software

Die Software ist neu auf GitHub verfügbar

Mechanischer Aufbau

Fotos vom Aufbau des Gehäuses
saeule

Das ist der Grundaufbau der Säule. Ein zentrales PVC-Rohr steckt in einer Holzrondelle welches mit einem Gitter umfasst ist. Dazwischen werden die Steine eingefüllt welche dem ganzen einen Halt und eine Masse geben. Darüber kommt nochmals eine gleiche Holzrondelle als Deckel. Die weiteren Aufbauten verwenden das PVC-Innenrohr als Fassung.

SAM_0756

Der Schirm besteht aus 12 Dreiecken die einen kleineren Winkel haben als ein in 12 Teile geteilter Kreis. Beim Zusammenkleben resultiert daraus ein Schirm mit einer nach Aussen abfallender Fläche. Die Dreiecke wurden auf der Unterseite mit Gewebeband und Epoxyharz verbunden. Für einen guten Halt am PVC-Rohr sorgen kleine Dreieckstückchen.

SAM_0758

Der Spalt auf der Oberseite wird mit einem 2mm Rundholz abgedeckt. Der Spalt zum PVC-Rohr ist mit Harz aufgefüllt.

SAM_0790

In die Seitenwände wurden sechseckige offene Taschen gefräst, in die Lüftungsdeckel aus dem 3D Ducker geklebt werden.

SAM_0795

Das sind die Deckel für die Lüftungslöcher.

SAM_0778

Die Grundplatte ist bereits mit der Basis verklebt. Die Basis konvertiert die Runde Grundform in die rechteckige Messstation.

SAM_0797

Ein erster Test mit der Messstation in der Base. Nicht ganz perfekt, aber es passt recht ordentlich.

SAM_0799

Die Lüftungsdeckel passen wie angegossen.

SAM_0821

Die fertige Messstation in weissem Lack

SAM_0981

Die Elektronik ist einsatzbereit, fehlt noch der Deckel mit dem Lichtleiter.

SAM_0979

Der aus Acryl bestehende Lichtleiter mit dem Plastikrohr für das WLAN Antennenkabel. Das ganze wird am Schluss mit Schrumpfschlauch lichtdicht verpackt.

SAM_0992

Die fertige Messstation. Man erkennt den Schnorchel für die Lichtmessung.

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