Webseite Wetterstation

Webseite für Darstellung der Wetterdaten

In den letzten Wochen habe ich an einer Webseite für die Darstellung der gemessenen Wetterdaten gearbeitet.

Die Webseite ist nur die Oberfläche von der vielen Arbeit. Man sieht nicht was für eine  Arbeit dahinter steckt. Ich habe versucht die Webseite und die dahinterliegenden Strukturen so allgemein zu erstellen, dass eine Erweiterung relativ einfach implementiert werden kann. Die Arbeiten habe viele Bereiche der Programmierung, Datenverwaltung und Datendarstellung abgedeckt.

Mit dem Ergebnis bin ich sehr zufrieden. Die Webseite sieht so ähnlich aus wie ich sie mir vorgestellt habe. Ich werde wohl kein Designpreis gewinnen, aber für einen Techniker ist die Seite doch akzeptabel.Mittlerweile gibt es auch einen Link auf meiner Domain für die die Webseite : Wetterstation

 

 

Sensoren für die Wetterstation

Elektronik für die Wetterstation

Um die Wetterdaten erfassen zu können, benötige ich noch die richtiges Sensorik. Auch sollen die Daten jederzeit gelesen werden können.

Hierzu habe ich mich entschlossen die Sensoren der Wetterstation mit in mein Hausbussystem zu integrieren. Siehe hier Blog „Integration des Regensensors“

Sensoren:

Es gibt eine Vielzahl von Sensoren welche Klimadaten erfassen können. Gerade im Bereich der Makerszene gibt es einiges an Sensoren, die Auswahl fällt hier nicht leicht.

Klima Sensor:

Ich habe mich für den Klimasensor BME280 von Bosch entschieden. Dieser Sensor kann gleichzeitig unterschiedliche klimatische Messgrößen erfassen. Der Sensor ist recht einfach zu verwenden und die Bewertungen für den Sensor sind in den verschiedenen Foren sind auch recht positiv. Man muss nur darauf achten, dass man für diesen Sensor keine Fälschung untergeschoben bekommt, da der Sensor sehr beliebt ist.

Folgende klimatische Messgrößen werden durch den Sensor erfasst:

• Temperatur
• Luftfeuchtigkeit
• Luftdruck

Blitzsensor:

Als kleines Gimmick habe ich einen Blitzsensor mit integriert. Hierbei handelt es sich um den Baustein AS3935 von AMS. Ich habe bei meiner Arbeit als Ingenieur öfters Sensoren von AMS in Produkten verbaut und ausschließlich gute Erfahrungen damit  gemacht.

Der Sensor AS3935 kann Blitze im Umkreis von ca. 40 km registrieren. Auch kann er etwa die Entfernung der Gewitterfront ermitteln.

Ich bin mal gespannt wie gut der Sensor funktioniert. In den letzten Wochen gab es kein Gewitter somit habe ich noch keine Erfahrungsdaten.

Regensensor:

Über den Regensensor habe ich ja schon geschrieben. Für den Sensor habe ich einen etwas größeren Auffangbehälter besorgt und eingebaut.

Montage Elektronik:

Als Basis für die Elektronik habe ich wieder das Board mit dem XMC1300 Prozessor verwendet, das ich schon beim Bewegungsmelder benutzt habe. Die entsprechenden Schnittstellen für die einzelnen Sensoren habe ich integriert, wobei das kein sonderliches großes Problem war. Der Klimasensor und der Blitzsensor haben jeweils eine I2C-Schnittstelle.

Der Regensensor wurde auf ein GPIO-Port gelegt, mit einer entsprechenden Filterung funktioniert das auch gut.  Siehe hier Blog „Integration des Regensensors“

Elektronik Wetterstation

Hier die Elektronik mit der Prozessor Platine in der Mitte, rechts die kleine blaue Platine ist der Blitzsensor

Gehäuse Elektronik Wetterstation mit Klimasensor

Dieses Bild zeigt das geschlossene Gehäuse der Wetterstation Elektronik. Die Platine oben ist der Klimasensor. Dieser ist außerhalb des Gehäuses angebracht, damit hier hoffentlich die Klimadaten ohne Einfluss der sonstigen Elektronik aufgenommen werden.

Elektronik im Wetterschutzhäuschen

Hier ist nun die Elektronik im Wetterhäuschen eingebaut und am Hausbus angeschlossen.

Nun kann es losgehen die Wetterdaten zu erfassen.

Das Wetterschutzhäuschen.

Für meine Wetterstation benötige ich noch ein geeignetes Wetterhäuschen.

Da ich auch gerne mit Holz arbeite, habe ich mich entschlossen ein Häuschen selbst zu bauen.

Keine Konstruktion ohne Plan

Als erstes mal eine Plan erstellen, was man eigentlich will.

Hier reicht schon eine grobe Skizze der Einzelteile.

Aus der Skizze kann man schon ablesen wie viel Holz man benötigt und wie groß das Häuschen wird.

 

 

 

 

 

 

 

Zuschnitt und Fräsen

Anhand des Plans können nun die Zuschnitte erstellt werden. Nachdem die meisten Zuschnitte erstellt wurden, geht es an die Fräsarbeiten. Hier hat mir mein alter Proxxon gute Dienste geleistet.

Fräsen der Lamellen Aufnahme.

Streichen und Montage

Nachdem alle Zuschnitte fertig sind und die Fräsarbeiten abgeschlossen waren, wurden  zuerst alle Holzteile mit einer Holzschutzfarbe gestrichen. Da jedes Wetterhäuschen weiß sein soll, wurden dann alle Teile mit einer weißen Holzschutzfarbe mehrfach gestrichen.

Nachdem die Teile alle Trocken waren, ging es nun an das Montieren der Einzelteile.

Montage Grundgestell

Montage Lamellen

Nochmal Streichen

Montage Wetterhäuschen Dach

Montage Wetterhäuschen

Wetterhäuschen mit Tür

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Montage Wetterhäuschen

Das fertige Wetterhäuschen kann nun an seinem endgültigen Standort montiert werden.

Hierzu habe ich mein Schuppen im Garten ausgewählt. Der Platz an der Treppe zu Dachboden finde ich gut als geeigneten Standort.

Montiertes Wetterhäuschen

Montiertes Wetterhäuschen

 

Integration des Regensensors

Integration des Regensensors in das Hausbussystem

Um die Daten des Regensensors zu verarbeiten, habe ich den Regensensor in mein Hausbussystem eingebunden.

Als Kommunikationsmodul habe ich die Leiterkarte die ich schon für den Bewegungsmelder benutzt habe verwenden.

Da das Framework für das Hausbussytem ja besteht und schon vielfach getestet ist, ist es relativ einfach, ein eigenes Device zu erstellen.

Wetterstation Device

Der Regenmesser ist die erste Komponente die nun in das Device „Wetterstation“ mit eingebunden ist.

Regensensor mit Interface

Signalverarbeitung vom Regensensor

Der Regensensor ist über eine einfach IO-Leitung mit dem Interface verbunden.

Das Signal wurde noch etwas gefiltert. Da ich die Messungen über die Impulslängen ja schon im Vorfeld durchgeführt habe, konnte ich den Filter so vernünftig dimensionieren.

Intern wird noch etwas Statistik geführt, so das im Interface für den Regensensor historische Daten geführt werden.

Wie Regenmenge in einem vergangenen Intervall:

• Regenmenge der letzten fünf Minuten
• Regenmenge der letzten Stunde
• usw.

Hausbus Manager

Über den Hausbus Manager kann ich nun die ermittelten Regenmengen aus dem neuen Device „Wetterstation“ auslesen.

Hausbus Manager „Wetterstation“

Der Regensensor

Ich habe mir einen Regensensor bei Conrad bestellt.

Leider habe ich keinen Sensor gefunden, den ich als Ersatzteil bestellen konnte. Deswegen habe ich eine komplette „kleine“ Wetterstation mir Regensensor bestellt.

Wippe des Regensensors

Mich interessiert im Wesentlichen nur die Wippe zur Regenmessung.

Ich habe mir mal angeschaut wie dort die Sensorik für die Wippenbewegung durchgeführt wird.

Reedrelais als Sensor

Im hinteren Bereich der Wippe befindet sich eine Leiterkarte auf der die Elektronik und die Sensorik verbaut ist.

Regensensor mit Elektronik

Links kann man sehen wo sich die Leiterkarte des Sensors befindet.

Im unteren Bild befindet sich zwischen den beiden Pfeilen das Reedrelais.

Leiterkarte mit Reedkontakt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Das Reedrelais ist so angeordnet, das wenn die Wippe sich in Mittelposition befindet, sich der Kontakt kurz schließt.

Hochohmig auskoppeln des Reedrelais Signals

Ich habe mal etwas gemessen und festgestellt, das dass Reedrelais gegen Masse schaltet.

Dieses kommt mir sehr entgegen.  ich habe nun zwei Kabel am Reedrelais angeschlossen (Siehe rote Pfeile im obigen Bild)

Natürlich habe ich noch einen Widerstand von 100K angeschlossen, so dass ich relativ hochohmig auskopple, und somit die bestehende Schaltung nicht Störe.

 

Ausblick Bewegungsmelder

Ja wie geht es weiter.

Für mich ist die Entwicklung der Bewegungsmelder abgeschlossen, für meine Zwecke funktioniert der Bewegungsmelder richtig gut.

Die Erfahrungen die ich bei der Entwicklung gemacht habe, waren doch vielfältig. Wie die Problematik mit den Ultraschall Sensoren, eine FFT auf einem recht langsamen Prozessor ohne „floating point unit“ zu integrieren und noch mit einer hohen Abtastrate, Einarbeitung in KiCad usw.

Man könnte den Bewegungsmelder noch weiter ausbauen. Der Radarsensor den ich verwendet habe kann ja nur Bewegungen erkennen. Es gibt noch Sensoren, die auch die Bewegungsrichtung erkennen. Hier wäre es interessant, das Licht beispielsweise in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung zu schalten usw.

Jedoch sind diese Sensoren doppelt so teuer, wie den Sensor den ich verwendet habe.

Zukunft

Eine mögliche Erweiterung wäre es wenn man ein eigenes Radarmodul integrieren könnte. Auf dem Markt gibt es interessante Sensoren wie z.B. der Sensor „BGT24MTR11“ von Infineon.

Auf Basis von diesem Chip gibt es ein Demoboard SENSE2GOL . Auf diese Board könnte man aufbauen, jedoch ist solch eine Entwicklung nicht einfach.

Es müssen dann auch verschiedene Hürden genommen werden, wie:

• Erstellung einen HF-Layouts
• Entsprechende HF-Messtechnik muss zur Verfügung stehen
• Zulassung des Moduls
• usw.

Als zusätzliche Erweiterungen könnte man sich noch einiges vorstellen.

• Integration eines IR-Array Sensors für Objekterkennung wie z.B MELEXIS MLX90640, oder AMG88xx von Panasonic
• ESP-8266 Modul integrieren
• Direkte Anbindung von Schaltelement wie Lampe oder Strahler

Es gibt also noch viele Ideen, wie man hier weiter machen könnte. Vielleicht greife ich in Zukunft die eine oder die andere Ideen auf.

Ende der Entwicklung

Die Kleinserie ist erstellt.

Mittlerweile habe ich die Kleinserie der Bewegungsmelder erstellt. Zwei Bewegungsmelder habe ich verbaut.

Ich will noch einen weiteren Bewegungsmelder einbauen, die beiden anderen Bewegungsmelder sind als Austauschgeräte geplant.

Kleinserie

Die Bewegungsmelder sind in mein Hausbussystem nun vollständig mit eingebunden und sie arbeiten gut.

Um die Bewegungsmelder vollständig einbinden zu können, musste ich meine Steuerungssoftware der „Hausbus-Manager“ neu schreiben.

Den „Hausbus-Manager“ werde ich in einem weiteren Block beschreiben.

Im Großen und Ganzen hatte ich ein Problem, ich habe ja schon vor längeren einen „Hausbus-Manager“ geschrieben, den hatte ich damals mit C# erstellt. Nun wollte ich die Software des „Hausbus-Managers“ erweitern. OK, nun die Entwicklungsumgebung gestartet und siehe da: „C# kann nicht gestartet werden“ …. bla bla bla. Entwicklungsumgebung zu alt usw. Natürlich habe ich mich dann geärgert. Kommt noch dazu dass man sich Registrieren muss usw. Mein Ärger war dann so groß, dass ich mich nun von C# verabschiedet habe.

Ich habe nun alles mit Qt in C++ neu geschrieben. Hat zwar etwas gedauert, aber funktioniert :-).

 

Eine kleine Serie

Nachdem nun der erste Bewegungsmelder schon seine Arbeit erfolgreich erledigt, geht es nun an den weiteren Schritt.

Ein Bewegungsmelder ist natürlich nicht ausreichend. Deswegen habe ich mich dazu entschlossen noch weitere Bewegungsmelder aufzubauen. Ich hatte noch Material für einen zweiten Bewegungsmelder, bzw. vom den Prototypen.

Daraus habe ich einen zweiten Bewegungsmelder gebaut. Dieser ist auch schon installiert und funktioniert auch gut.

Das leidige Thema Materialbestellung

Material Bewegungsmelder

Wahrscheinlich haben die meisten Bastler oder auch Maker schon die Erfahrung gemacht, dass man nicht alles bei einem Versender bekommt oder dass genau der Baustein beim einen Versender viel mehr kostet als beim andern Versender.

Um das Restmaterial für meinen Bewegungsmelder zu kaufen musste ich bei drei verschiedenen Versendern eine Bestellung durchführen. Und natürlich jeweils die Versandkosten zahlen.

Montage Kleinserie:

Die Montage ist soweit abgeschlossen, nun geht es nur noch an das Testen der Leiterkarten.

Kleinserie Bewegungsmelder

Ich hoffe das ich am nächsten Wochenende dazu komme die Leiterkarten noch zu testen, deswegen sind die Radarmodule auch noch nicht montiert.

 

Inbetriebnahme Leiterkarte Bewegungsmelder

Inbetriebnahme Leiterkarte

Nun hat es doch eine ganze Weile gedauert bis ich die Leiterkarte für den Bewegungsmelder komplett in Betrieb nehmen konnte.

Ich habe nun alles getestet und noch die Firmware angepasst. Jetzt bin ich auf einen Stand mit dem ich gut auskommen kann.

Bewegungsmelder Leiterkarte aufgebaut

Es waren doch einige Hürden zu nehmen. Wesentliche Layoutfehler habe ich nicht gehabt. Ich hatte einen Dreher bei den Programmierpins. Aber das war eigentlich schon alles.

Übersteuern des Verstärkers

Im Nachhinein muss ich bemerken, dass ich bei der Auswahl des Operationsverstärkers nicht so ein gutes Händchen hatte. Ich hatte die Operationsverstärker noch von einem früheren Projekt im Lager, das war eigentlich der Grund warum ich diesen verwendet habe.

Das Problem mit dem OP war der, dass dieser beim Zuschalten des Radarmoduls übersteuert. Das kommt daher, da die Verstärkung ja jenseits von 1000 liegt und beim Einschalten die Koppelkondensator noch entladen sind. Beim laden der Kondensatoren gibt es nun einen Impuls auf den Verstärker und dieser übersteuert.

Ich habe den Verstärker dann nicht mehr „eingefangen“ bekommen. Obwohl am Eingang kein Signal anliegt, schwingt er.

Um mir zu helfen, habe ich einen von den beiden Analogschalter geopfert, mit den Analogschalter kann ich die Verstärkung einstellen. Ich habe nun einen Analogschalter so umgebaut, dass die zweite Verstärkungsstufe eine Dämpfung hat. Somit kann ich den OP wieder in normalen Betriebsmode versetzen.

Montage Bewegungsmelder

Ich habe nun den Bewegungsmelder in das Gehäuse eingebaut und noch ein paar Anpassungen durchgeführt.

Auch habe ich den Temperatursensor angeschlossen, hier habe ich einen PT1000 als Temperatursensor benutzt. Ich  bin noch nicht ganz zufrieden mit dem Einbau des Temperatursensors, aber fürs erste geht es.

Leiterkarte vom Bewegungsmelder in Gehäuse eingebaut.

Der Bewegungsmelder wurde so montiert, dass er reagiert, wenn jemand sich im Eingangsbereich bewegt.

Anpassen Firmware

Blöd ist aber, dass sich genau hinter dem Eingangsbereich die Straße befindet. So dass der Bewegungsmelder auch die Straße mit erfasst. Ich habe schon beim Prototypen gesehen, dass dieses ein Problem ist. Hier haben auch vorbeifahrende Fahrzeuge den Melder ausgelöst.

Deswegen habe ich die Software noch etwas erweitert. Hier kann ich beim Empfangsspektrum noch Bereiche definieren die bei der Bewegungsanalyse ausgewertet werden. Auch habe ich noch Kleinigkeiten verbessert, um auf Plausibilität zu Prüfungen.

Von meiner „Hausbus-Manager“ Software aus, kann ich über Konfigurationswerte den Bewegungsmelder so optimal abstimmen.

Mit etwas Konfiguration konnte ich den Bewegungsmelder so abstimmen, das vorbeifahrende Autos durch den Melder nicht Registriert werden.

Außen Montage Bewegungsmelder

Erstellung der Leiterkarte

Nachdem nun der Prototyp erfolgreich in den Hausbus integriert wurde. Steht nun der nächste Schritt an.

Weg vom Prototypen, hin zu einer professionellen Leiterkarte. 

Für eine vernünftige Leiterkarte, benötigt man als erstes einen ein ausgereiften Schaltplan.

Um den Schaltplan und Leiterkarte zu erstellen, benutze ich schon seit längerem das Layout-Tool „KiCad“. Andere Tools wie „E..“ habe ich auch schon ausprobiert, aber das Tool hat einen entscheidenden Vorteil, es hat keine Einschränkungen wie andere Tools.

Die Bedienung ist eigentlich auch relativ einfach. Im Netz findet man viele Tutorials die einem bei Fragen oder Probleme weiterhelfen.

Schaltplan:

Anhand des Prototypen habe ich ja schon weitestgehend den Schaltplan erstellt. Der Rest war einfach nur Zusammenfügen von bereits erstellten Layout Komponenten aus früheren Projekten.

Auszug aus Schaltplan für Bewegungsmelder.

Hier ein Auszug aus dem Schaltplan des Bewegungsmelders. In Erweiterung zum Prototypen habe ich beim Verstärker für das Signal des Radarmoduls noch Analogschalter eingebaut. Ich beabsichtige damit während des Betriebs den Verstärkungsfaktor zu ändern, um eine höhere oder niedrigere Empfindlichkeit zu erreichen.

Layout:

Nachdem der Schaltplan erstellt ist, müssen noch die Footprints für die einzelnen Bauteile zugewiesen werden. Zum Teil müssen diese auch neu erstellt werden.

Ist für jedes Bauteil ein Footprint zugewiesen, dann kann es an die Leiterkarte gehen.

Die Außenmaße der Leiterkarte habe ich so gewählt, dass die spätere Leiterkarte in mein Gehäuse passt. Siehe hier das Gehäuse in dem der Prototyp eingebaut ist.

Layout für Bewegungsmelder

Hier noch ein 3D-Bild der fertigen Leiterkarte. KiCad hat hier ein schönes Tool um sich die Leiterkarte in 3D anzuschauen.

3D Darstellung der Leiterkarte

So, nun noch die Gerberdaten erstellen und ab mit den Daten zu dem Leiterkartenhersteller meines Vertrauens.

Leiterkarte Bewegungsmelder

In der Regel braucht es circa eine Woche von Abgabe der Gerberdaten bis ich die Leiterkarte auf dem Tisch habe.

Leiterkarten Bestückungsseite

Leiterkarten Bewegungsmelder

 

 

 

 

 

 

 

 

Heute habe ich nun die Leiterkarten vom Lieferanten bekommen. In den nächsten Tagen werde ich hoffentlich Zeit finden um die erste Leiterkarte in Betrieb zu nehmen.