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IOT – Wetterstation

Allgemeines

Für die Erfassung und Verteilung aktueller lokaler Wetterdaten wurde im Zuge eines Kundenauftrags diese IoT-Wetterstation mit integrierter Ethernet Schnittstelle auf Basis eines ESP32 entwickelt.

Alternativ kann auch auf die Anbindung über die Ethernet Schnittstelle verzichtet werden und die Daten könnten stattdessen per WLAN Verbindung über den Mikrokontroller ESP32 versendet werden.

Sie erfasst die folgenden Wetterdaten und sendet diese zyklisch per UDP-Broadcast über den Port 8888 in das lokale Netzwerk. Auch hier wäre der Versand per MQTT an einen Broker denkbar.

Wetterdaten:
  • Aktuelle Windgeschwindigkeit
  • Aktuelle Windrichtung (0 – 360 °)
  • Windrichtungswert als Windrichtungsindex
  • Aktuelle Außen- und Modultemperatur
  • Aktuelle Daten vom Kapazitiven Regensensor
  • Aktuellen LUX Wert, RAW Index und den Weiß Wert.
  • Regen Bit der Regenerkennung
  • Dämmerungsbit der Dämmerungserkennung
  • Windmax Bit der Windmax. Erkennung

Hardwareaufbau

Die Platine der Wetterstation hat eine Abmessung von 80 x 120 mm.
Sie besitzt Schraubklemmen zum Verbinden der Eingangssignale und eine RJ45 Buchse zum Anschluss der Netzwerkverbindung über Ethernet, unten rechts im Bild.

IoT-Wetterstation Platine
IoT-Wetterstation Lux- und Kapazitiver Regensensor

Die Platine der verfügt über folgende Anschlüsse:

  • Einen Programmieranschluss für Firmware Updates
  • Einen RJ45 Netzwerkanschluss
  • Schraubanschlüsse für die Sensoren

Die ersten beiden Klemmanschlüsse dienen dem Anschluss der Versorgungsspannung, diese kann in einem Bereich von 7 – 27 V= liegen.

Der nächste Anschluss wurde für einen potentialfreien Eingangskontakt vorgesehen, an den z.B. ein Regenmengenmesser mit Read Kontakt angeschlossen werden könnte (optional).

Der nächste Klemmenblock stellen zwei stabilisierte Ausgangsspannung 3.3V und 5.0 V zur Verfügung. Hiermit können Beispielsweise externe Sensoren mit Spannung versorgt werden. Die nächsten beiden Klemmen GND und 1-Wire dienen zum Anschluss von externen 1-Wire Sensoren. In diesem Projekt wird hierrüber Außentemperatur mit einem 1-Wire Sensors vom Typ DS18B20 gemessen.

Die Letzten Klemmen sind Anschlussklemmen für zwei analogen Eingangskanäle. Diese könne je nach Bedarf wahlweise 0 – 10 V oder 0 – 20 mA Eingangssignale verarbeiten.

Am ersten Analogeingang U-in1 und GND kann z.B. der Sensor zur Messung der Windgeschwindigkeit und am zweiten Analogeingang U-in2 und GND der Sensor für die Windrichtung angeschlossen werden.

Eine Kalibration der Messbereiche für die beiden Analogeneingänge U-in / I-in, erfolgt für jeden Kanal getrennt, mit je zwei Spindelpotentiometer.

Hierbei wird zuerst der Spannungseingang abgeglichen und das entsprechende Spindelpotentiometer zunächst gegen den Uhrzeiger auf seine linke Endposition gestellt.

Nach dem Anlegen einer Spannung von 10.0 V wird das Spindelpotentiometer solange verstellt, bis am entsprechenden Ausgangspin, Kanal 1 = Pin1 und Kanal 2 = Pin 7, des LM358 eine Ausgangsspannung von 3.0 V gemessen wird.

Anschließend wird der Spannungseingang getrennt und derselbe Vorgang mit dem Stromeingang durchgeführt. So können beide Eingangskanäle auf ihren Endbereich kalibriert werden.

Kanal 1:

  1. I – Abgleich 3.0V = 20 mA, CH1 Pin1 am LM358M
  2. U – Abgleich 3.0V = 10 V, CH1 Pin1 am LM358M

Kanal 2:

  1. I – Abgleich 3.0V = 20 mA, CH2 Pin 7 am LM358M
  2. U – Abgleich 3.0V = 10 V, CH2 Pin 7 am LM358M

Alle Eingänge der Wetterstation sind gegen ESD geschützt, Die beiden Analogeingänge haben zusätzlich noch einen Verpolungsschutz und eine Einganswert Limitierung um bei einem zu hohen Spannungs- bzw. Stromwerts am Eingang den Mikrokontroller nicht zu zerstören.

Der Regensensor basiert auf einer Kapazitätsmessung.

Siehe hierzu:
Kapazitiver Regensensor mit einem ESP8266 / Arduino

Die ermittelte Kapazität wird über einen NE555 in ein digitales Frequenzsignal gewandelt und an den Mikrokontroller weitergeleitet, der dann die Berechnung und Auswertung übernimmt.

Es sind zwei Temperaturmessung vorhanden, die über den 1-Wire Bus erfasst und ausgewertet werden. Als Sensoren werden DS18B20 eingesetzt, der erste befindet sich direkt auf der Platine als TO-3 und dient zur Ermittlung der Gehäuseinnentemperatur, der zweite Sensor ist ein Wasserdichter Edelstahlsensor der in drei Leiter Technik über die Klemmen des 1-Wire Eingangs angeschlossen ist und die Außentemperatur misst.

Zur Erfassung des LUX, RAW und Weißwerts wurde eine VEML7700 des Hersteller Vishay verbaut. Dieser ist über eine I2C Schnittstelle an den Mikrokontroller angebunden und kann mit einer entsprechenden Parametrierung Lux Werte bis zu 150 Klx genau messen.

Das Herzstück der Schaltung ist ein ESP32 Mikrokontroller mit 4 MB Flashspeicher der Firma Espressif. Dieser Kontroller verfügt über ein WLAN und Bluetooth Radio, das jedoch in diesem Projekt nicht zum Einsatz kommt, da der Datenaustausch über Ethernet erfolgt.

Als Schnittstelle zum Ethernet ist ein USR-ES01 Modul mit W5500 Chipsatz vorhanden, die Anbindung an den Mikrokontroller erfolgt per SPI-Bus.

Die Spannungsversorgung für die Wetterstation könnte z.B. auch direkt über das Netzwerkkabel, per Power Over Ethernet kurz PoE erfolgen. Hierfür könnte ein PoE-Splitter, der eine stabilisierte Gleichspannung von 12V aus dem Signalkabel ausschleust, in das Gehäuse der Wetterstation eingebracht werden. Auf diese Weise könnte dann auch die Spannungsversorgung für den Wind- und Windrichtungssensor erfolgen.

Firmware Update

Um ein neues Firmware Update in den ESP32 Mikrokontroller zu laden, verfügt die Platine über einen zweireihigen, acht poligen Steckverbinder, an den der passende USB-Programmieradapter angesteckt werden kann, um eine neue Firmware in den Mikrokontroller der Wetterstation zu übertragen.

Bei einer Verbindung per WLAN, könnte ein Update aber auch per OTA (Over the air) erfolgen. Diese Option seht leider bei einer Anbindung per Ethernet nicht zur Verfügung.

Der USB-Programmieradapter muss dabei so aufgesteckt werden, dass er von der Grundplatine weg zeigt. Ein Vertauschen oder falsches aufstecken führt zur sofortigen Zerstörung der Wetterstation!

Das Herunterladen einer neuen Firmware darf deshalb nur von einer entsprechend eingewiesenen Person oder einem Fachmann durchgeführt werden!

Für den Programmiervorgang muss die Spannungsversorgung zur Wetterstation unterbrochen sein und die Netzwerkverbindung getrennt werden! Des Weiteren kann es beim Flashvorgang zu Problemen kommen, wenn an den analogen Eingangskanälen noch Sensoren angeklemmt sind. Deshalb wird auch hier empfohlen dies vor dem Flashvorgang zu entfernen!

Kapazitiver Regensensor Funktionsweise

Zum Blogbeitrag MQTT-Regensensor Modul

Allgemeines:

Im Internet wird eine Vielzahl von verschiedenen Regensensoren angeboten. Die meisten davon kommen aus Fernost und arbeiten nach dem Resistance Prinzip.

Trifft ein Regentropfen auf die nicht isolierten Kontakte des Sensors, werden die nebeneinanderliegenden kammförmigen Kontakte durch den Regen verbunden, was letztendlich zu einer Reduzierung des Sensorwiderstandes führt.

Diese Widerstandsänderung ist abhängig vom Verschmutzungsgrad des Regenwassers, sowie der bereits eingetretenen Oxidation des Regensensors.

Über eine Komparator Schaltung kann hierbei meist der Schaltpegel eingestellt werden, bei dem Regen detektiert wird und der dann ein digitales Ausgangssignal setzt.

Manche Sensoren stellen zusätzlich zu diesem Digitalausgang noch ein Analogsignal zur Verfügung, was eine Lösung für eine zeitweilige Kalibrierung des Sensors durch die Software erlauben würde.

Das große Problem bei dieser Messmethode ist es, dass selbst bei Sensoren mit vergoldeten Kontaktoberflächen immer parasitäre Ströme fließen.

Da praktisch immer ein kleiner Gleichstrom an beiden Polen des Sensors anliegt, führt dies unabhängig von der Qualität des Sensors zu einem elektrochemischen Prozess und damit über kurz oder lang zu einer schrittweisen Zerstörung des Sensors.

Eine bessere Lösung stellt dieser Sensor dar, da er auf einem anderen Prinzip, dem kapazitiven Prinzip beruht.

Das Funktionsprinzip bei einem kapazitiven Sensor ist dem oben vorgestellten Messverfahren durchaus ähnlich. Es unterscheitet sich jedoch in einem wesentlichen Punkt, bei Regen wird hier keine leitende Verbindung hergestellt. Durch die Wassertropfen auf der Oberfläche wird lediglich die Kapazität des Sensors verändert, das Wasser wirkt als Dielektrikum.

Der Vorteil bei diesem Lösungsansatz liegt darin, dass keine blanken Leiterbahnoberflächen der Witterung ausgesetzt sind und dadurch auch kein elektrochemischer Prozess ausgelöst wird, der den Sensor auf Dauer irreversibel beschädigt. Alle leitenden Teile sind durch eine Lackschutzschicht vor Witterungseinflüssen geschützt.

Die Kapazität des Sensors beträgt im trockenen Zustand ca. 170pF. Tritt eine Betauung ein oder trifft Regen auf den Sensor, steigt die Kapazität an. Durch das ermittelte Delta C, lässt sich sogar eine Aussage über die Art des Regens und dessen Intensität treffen. Ist es Neblig oder es handelt sich um einen feinen Nieselregen, der die Sensoroberfläche benetzt, bilden sich viele kleine Wasser Tröpfchen auf dem Sensor, was wiederrum zu einem großen Delta C führt.
Bei einem Durchschnittlichen Regen Ereignis sind es vorwiegend größere Tropfen, die zu einem großen Teil sofort wieder abrutschen, so ergibt sich ein kleineres Delta C.

Um schnell festzustellen zu können, ob der Regen zu Ende ist, besitzt der Sensor eine Heizung an der Platinen Unterseite. Diese besteht aus zwanzig 15 Ohm Heizwiderstände, die es bei einer Versorgungsspannung von 5V immerhin auf eine Heizleistung von knapp 1,8 W bringen.
Sie sorgen für eine zügiges verdunsten der Flüssigkeit bzw. einer Eisbildung auf der Sensoroberfläche.

Durch die sehr kleine Bauform des Sensors, kann selbst mit dieser relativ geringen  Leistung ein schnelles (ca. 5 Minütiges) Abtrocknen sichergestellt werden.
Energetisch gesehen ist es sinnvoll, die Sensorheizung nur für die Dauer einer Regenerkennung zu betreiben. Das bedeutet, wird keine Feuchtigkeit oder Regen mehr detektiert, soll die Sensorheizung abgeschaltet werden!
Hierfür ist ein Transistor auf der Sensorplatine vorgesehen.
Wird hier ein Mosfet bestückt und ist der Pin in dieser Hardware Version 1.00 für dessen Ansteuerung nicht angeschlossen, muss dieser auf Masse gelegt werden.
Da der Mosfet bei einem offenem Gate in einem Halbleitenden Zustand gehen könnte, was zur einer Zerstörung des Bauteils führen würde.

Bestückung der Platinen Unterseite

Diese Bild zeigt die Bestückung der Unterseite des Sensors. Es ist gut zu erkennen, das im Layout zwar Pats für eine Befestigung der Sensorplatine vorgesehen sind, diese jedoch keine Bohrung besitzen. Weshalb hier auch kurz auf die Befestigung des Sensors eingegangen werden soll.

Wie zu sehen ist befinden sich die Anschlüsse annähernd mittig auf der Sensorplatine.

Verwandt man z.B. eine feste wasserdichte Hensel Anschlussdose um die Elektronik darin zu verstauen, genügt es in den Deckel ein passendes rundes Loch zu bohren, damit die Anschlüsse nach innen geleitet werden können. Der Regensensor selbst wird am besten mit Silikon wasserdicht mit dem Deckel verklebt.
Sollten dennoch Befestigungslöcher benötigt werden, so können diese nachträglich ausgebohrt werden.

Es bietet sich an die Platine für die Auswertung mit dem entsprechenden Gegenstück auszustatten, so dass diese von der Innenseite aufgesteckt werden kann.

Die Befestigung dieser Platine kann mit Distanzbolzen, die am Deckel eingeschraubt werden, erfolgen. Werden die Schrauben nicht vom Sensor (mit Silikon) überdeckt, sollte hier auf Edelstahlschrauben zurückgegriffen werden.

Im Unteren Bild ist der Schaltplan der Sensorplatine zu sehen.
Bei der Steckverbindung wurde wert daraufgelegt, dass die Signale für alle möglichen Anschlussvarianten an den Pins herausgeführt wurden.

Somit stehen dem Endanwender auch alle möglichen Messverfahren zur Verfügung, die zur Kapazitätsmessung angewandt werden können.

Schaltplan Kapazitiver Regensensor V1.00

Pin Belegung:

  1.  VDD +5V / 3,3V
  2. NC
  3. Sensorheizung
  4. Ladewiderstand
  5. Analog wert (Ladezustand)
  6. Entladewiderstand
  7. GND
  8. GND

Kapazitätsmessung durch Laden- und Samplen der Kondensatorspannung

Die Platine des kapazitiven Regensensors wurde für verschieden Anwendungsbereiche entwickelt, deshalb gibt es auch verschieden Bestückungsvarianten.

Wenn man z.B. einen PIC Mikrokontroller mit einem Komperatoreingang verwnden, kann eine Messmethode angewendet werden, bei die Kapazität des Sensor über den Pin 6, R23 entladen wird (Pin auf LOW) und der Pin anschließend wieder als Komperator Eingang umgeschaltet wird.
Der Pin 4, der zu diesem Zeipunkt im Tristate (hochohmig) war, wird nun als Ausgang programmiert und auf LOW geschaltet. Dieser läd nun die die Kapazität des Regensensors über R22 auf, bis der Komperatoreingang kippt.
Die ermittelte Zeit dient dann als Grundlage für die Kapazitätsbestimmung.
Beim MQTT-Regensensormodul wird ein anderes Messvervahren angewannt, da dieser nicht über einen Komperatoreingang verfügt.

Hier wird der AOUT (der gegen GND direkt die Kapazität des Sensors dartellt) als Kapazität eines Multivibrators genutzt, der abhängig von dieser Kapazität seine Ausgangsfrequenz ändert. Diese Ausgangsfrequenz wird an einem digitalen Eingang des ESP8266 gemessen und die Sensorkapazität aus der Frequenz berrechnet.

Da für dieses Messverfahren der C1, R22 und R23 nicht benötigt werden, müssen diese Bauteile bei diesem Messverfahren nicht mit bestückt werden.

Das obengenannte Messverfahren, dass sich jedoch nur für größere Kapazitäten im Bereich zwischen 10 nF und 2000 uF eigent, beschreibt der folgende Source Code von von Matthias Busse

Quellenverweis :
Kapazitäten von 10nF bis 2000uF einfach messen mit dem Arduino

// Kapazität Messgerät 10nF bis 2000uF
//
// Matthias Busse 22.2.2015 Version 1.1

#define messPin 0            // Analog Messeingang
#define ladePin 13           // Kondensator lade Pin über einen 10kOhm Widerstand
#define entladePin 11        // Kondensator entlade Pin über einen 220 Ohm Widerstand 
#define widerstand  9953.0F  // 10 kOhm > gemessen 9,953 kOhm

unsigned long startZeit;
unsigned long vergangeneZeit;
float microFarad;
float nanoFarad;

void setup() {
  pinMode(ladePin, OUTPUT);     // ladePin als Ausgang
  digitalWrite(ladePin, LOW);  
  Serial.begin(9600);           // Serielle Ausgabe
  Serial.println("Kapazitaetsmesser Version 1.1");
}

void loop() {
  // Kondensator laden
  digitalWrite(ladePin, HIGH);            // ladePin auf 5V, das Laden beginnt
  startZeit = micros();                   // Startzeit merken
  while(analogRead(messPin) < 648){}      // 647 ist 63.2% von 1023 (5V) 
  vergangeneZeit= micros() - startZeit - 114; // 0-Messung abziehen (112-116 us)
  if(vergangeneZeit > 4294960000) vergangeneZeit = 0; // Minuswerte auf 0 setzen (ist long deshalb der hohe Wert)
 // Umrechnung: us zu Sekunden ( 10^-6 ) und Farad zu mikroFarad ( 10^6 ),  netto 1  
  microFarad = ((float)vergangeneZeit / widerstand);   
  Serial.print(vergangeneZeit);           // Zeit ausgeben
  Serial.print(" nS    ");         

  if (microFarad > 1){
    if(microFarad < 100) {
      Serial.print(microFarad,2);         // uF.x ausgeben
      Serial.println(" uF     ");
    }
    else {
      Serial.print((long)microFarad);     // uF ausgeben
      Serial.println(" uF     ");
    }
  }
  else {
    nanoFarad = microFarad * 1000.0;     // in nF umrechnen
    if(nanoFarad > 10) {
      Serial.print((long)nanoFarad);     // nF ausgeben
      Serial.println(" nF     ");
      }
    else
      Serial.println("kleiner 10 nF");  
  }

  /* Kondensator entladen */
  digitalWrite(ladePin, LOW);             // ladePin auf 0V 
  pinMode(entladePin, OUTPUT);            // entladePin wird Ausgang 
  digitalWrite(entladePin, LOW);          // entladePin auf 0V 
  while(analogRead(messPin) > 0){}        // bis der Kondensator entladen ist (0V)
  pinMode(entladePin, INPUT);             // entladePin wird Eingang
  
  while((micros() - startZeit) < 500000){}   // bis 500ms warten, d.h. max 2 Ausgaben pro Sekunde
}

Kapazitätsmessung sehr kleiner Kapazitäten

Da bei sehr kleien Kapazitäten die Ladezeit des Kondensators ebenfalls sehr klein wird, müsste beim oben vorgestellten Messverfahren der Ladewiederstand im Verhältnis hierzu entsprechend vergrößert werden, um mit der Samplingrate des AD-Wandlers im Mikrokontroller immer noch ein akzeptables Messergebnis erzielen zu können.

Das Problem bei einem sehr großen Ladekondensator liegt darin, dass natürlich auch der analoge Eingang des Mikrokontrollers den Kondensator belastet und entläd. Der Messfehler wird also umso größer, je größer der Ladewiderstand wird, bis das System am Ende kippt und der Ladewiderstand die benötigte Ladung nicht mehr liefern kann.

Da sich die Kapazität des Regensensors in einem Bereich von 170pF – max. 400 pF bewegt, wird hier für auf eine anderes Messverfahren zurückgegriffen werden.

Das Frequenzmessverfahren

Bei diesem Messverfahren wird keine ADC benötigt, es kommt mit einem Digitaleingang des Mikrokontrollers aus.
Hierfür kommt der hochgenaue Langzeittimer NE555 zum Einsatz.
Dieser Timer seht sowohl in einer 5V Variante als NE555, als auch für Mikrokontroller die nicht 5V tolerant in einer 3V Variante ICM7555 zur Verfügung.

Arbeitet der Mikrokontroller mit 3,3,V und stehen nur ein NE555 zur Verfügung, kann natürlich auch ein Spannungsteiler am Ausgang den Levelshift übernehmen.

Der NE555 wird in dieser Schaltung als Multivibrator eingesetzt, der abhängig von angeschlossenen Kondensator seine Ausgangsfrequenz verändert.

Wenn am Ausgang gleiche Ein- und Ausschaltzeiten erzeugt werden sollen, muss die Standardschaltung (siehe oben) mit einer Diode parallel zum Widerstand R2 aufgebaut werden. Andernfalls kann diese Diode einfach entfallen. In der obigen Bauteilauslegung ist das Tastverhältnis annähernd 1:1 was auch hier die Diode unnötig macht.
Im Programm des Regensensors werden beide Varianten berücksichtigt. Da sowohl die Zeitdauer der negativen als auch der positive Halbwelle gemessen und anschließend addiert werden. Und damit die ganze Periodendauer berechnet wird.

Für die Messung wird vom Regensensor nur der Pin 5 (Analogwert) und Pin 7 (GND) benötigt.
Soll die Heizung genutzt werden kommen noch der Pin 1 (VDD) und Pin 3 (Sensorheizung aktivieren) hinzu.

Die Ein- Zeit berechnet sich wie folgt:
T1= 0,694 * (R1 + R2) * C

Die Aus- Zeit berechnet sich wie folgt:
T2= 0,694 * R2 * C

Die gesamte Periodendauer ist die Summe aus T1 +T2
T = 0,694 * C * (R1 +(2 * R2))
f = 1 / T

Die Frequenz ist 1 / T1 + T2, damit ergibt sich die Ausgangsfrequenz nach folgender Formel:
f = 1 / (0,694 * C * (R1 +2 * R2))

Da bei dieser Anwendung für uns nicht wichtig ist, welche Kapazität der Sensor hat, kann bereits die gemessene Frequenz für eine Regenauswertung verwendet werden.

Der Vollständigkeit halber hier trotzdem noch die kurz die nach C umgestellte Formel:
C =1 / ( f * 0,694 * (R1 + 2 * R2))

Programaufbau für die Kapazitätsmessung des Regensensors

/* Capacitivemeasurement (c) by Dillinger-Engineering 10/2020

   Funktionsweise:
   Um die kleinen Kapazitätsveränderungen des Regensensors (pF-Bereich)
   mit einer hohen Genauigkeit zu messen, wird hier ein NE555/3V verwendet.
   Dieser arbeitet als Multivibrator mit einer Frequenz im KHz Bereich.
   Ändert sich die Messkapazität, ändert (sinkt) auch die
   Frequenz. Je nach Auslegeung der Schaltung kann über die
   Frequenzänderung dann die entsprechende Kapazität errechent werden. 
   Je gröer der Parameter "MeasuringCycleleTime" gewählt wird,
   um so genauer wird auch die Messung. Zu beachten ist dabei jedoch,
   dass sich, sollte ein Sensor Fehler (kein Signal vom Eingang) vorliegt, damit
   auch die Timeoutzeit entsprechnde verlängert !
*/

const byte InputPin = 5;                       // Wemos D1 mini (Pin D1)
const unsigned int MeasuringCycleleTime = 1e6; // 1000000 us
const long R1 = 10000;   //  10 KOhm
const long R2 = 100000;   // 100 KOhm


float GetFrequeny(){  // Ergebnis in Hz
  float fsum = 0.0;
  unsigned int counts = 0;
  double f, T;
  unsigned long SartTtime = micros();
  bool Fail = false;
  do {
    T = pulseIn(InputPin, HIGH, MeasuringCycleleTime) + pulseIn(InputPin, LOW, MeasuringCycleleTime);
    if(T==0){
      Fail = true;
    }
    f=1/T;      
    counts++;    
    fsum += f * 1e6;
  } while(micros() < (SartTtime + MeasuringCycleleTime) && !Fail); // 1 Sekunde mitteln
  if(Fail){
    return(0);
  }else{
    f = fsum / counts * 0.9925;    //Korrekturwert ermitteln und einrechnen
    return(f);
  }
}

float GetCapacity(){  // Ergebnis in pF
  return(1/(GetFrequeny() * 0.694 * (R1 + 2 * R2))* 1e12);
}

void setup() {
  pinMode(InputPin, INPUT);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  char CharStr[30];
  
  // Show Data on Serial if available
  sprintf(CharStr,"Capacity: %.3f pf", GetCapacity()); 
  Serial.println(String(CharStr));
  sprintf(CharStr,"Frequenz: %.3f Hz", GetFrequeny()); 
  Serial.println(String(CharStr));
}

 

ESP Interrupt Routiene Linkerattribute

Beim der Einbinden von ISR Routienen in den Quellcode des ESP kann es zu einer Fehlermeldung des Compilers kommen.

need to add the ICACHE_RAM_ATTR macro to interrup service routines (ISRs)

Das ICACHE_RAM_ATTR und ICACHE_FLASH_ATTR sind Linkerattribute. Bevor Sie Ihren Programmcode kompilieren, können Sie festlegen, ob die Funktion im RAM oder FLASH gespeichert werden soll (normalerweise legen Sie nichts fest: kein Cache).

Der ESP8266 ist Multitasking und der ESP32 verfügt über 2 Kerne. So können Sie Ihren Code als Multithreading ausführen, da er das RTOS verwendet.

Und jetzt das Problem: Der gesamte Flash wird für das Programm und die Speicherung verwendet. Das Lesen und Schreiben in den Flash kann aber nur über einen Thread erfolgen. Wenn Sie versuchen über 2 verschiedene Threads gleichzeitig auf den Flash zuzugreifen, kann es bei einem Konflikt zu abstürzen Ihres ESP kommen.

Sie können Ihre Funktion anstelle des Flashs, aber auch im RAM ablegen. Selbst wenn Sie etwas in das EEPROM oder den Flash schreiben, kann diese Funktion aufgerufen werden, ohne auf den Flash zuzugreifen.

Mit ICACHE_RAM_ATTR stellen Sie die Funktion in den RAM.
und
mit ICACHE_FLASH_ATTR stellen Sie die Funktion in den FLASH, z.B. um RAM zu sparen.

Interrupt-Funktionen sollten deshalb immer mit dem ICACHE_RAM_ATTR Linkerattribute versehen werden.
Funktionen, die häufig aufgerufen werden, sollten kein Cache-Attribut verwenden.

Wichtig:
Greifen Sie NIEMALS innerhalb eines Interrupts auf Ihren Flash Speicher zu!
Da der Interrupt jeder Zeit während eines Flash-Zugriffs auftreten kann.
Wenn Sie also gleichzeitig versuchen, auf den Flash zuzugreifen, kommt es zu einem Absturz und das kann manchmal auch erst nach einer lägerer Betriebszeit geschehen.

Da Sie nur 32 KB IRAM (Instruction RAM) haben, sollten Sie versuchen, nur Interrupt-Funktionen in den RAM zu stellen.
Nicht alle Ihre Funktionen, auch wenn dies mit Linkerattributen möglich ist.

const uint8_t interruptPin = 14;
volatile byte interruptCounter = 0;
int numberOfInterrupts = 0;
void ICACHE_RAM_ATTR handleInterrupt();

void setup() {

  Serial.begin(9600);
  pinMode(interruptPin, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), handleInterrupt, CHANGE);

}

void handleInterrupt() {
  interruptCounter++;
}

void loop() {

  if(interruptCounter>0){

      interruptCounter--;
      numberOfInterrupts++;

      Serial.print("An interrupt has occurred. Total: ");
      Serial.println(numberOfInterrupts);
  }

}
// Quelltext by Alfredo Ramirez

 

 

Zeitmessung mit Großdisplay und Blynk App

Technische Beachreibung Timekeeper
Technische Beachreibung Timekeeper
Technische-Beachreibung-Timekeeper-Version-1.04.pdf
Version: Für alle Versionen
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Details

Key Features

  • Weiter Eingangsspannungsbereich von 8 – 27V,  12V Batteriebetrieb möglich
  • Konfiguration aller Modulparameter direkt am Timekeeper möglich.
  • Großes 1024 Pixel LED DOT-Matrix Display für die Anzeige der gemessenen Zeiten
  • Konfiguration über Taster am Modul oder die Blynk APP
  • Konfigurierbare Ruhelagen NO (normally open), NC (normally closed) der angeschlossenen Sensoren
  • Zeitanzeige am Display, über die Blynk App oder das Web-Interface
  • Für viele verschieden Messverfahren einsetzbar (Lichtschranken, Druckschlauchmessung oder Potentialfreie Eingangskontakte
  • Viele verschieden Messmodis auswählbar (Einzelzeiten, Rundenzeiten, Zwischenzeit, EinzelInitiator Messung uvm.)
  • Unterdrückung von mehrfach Auslösungen beim Überfahren bei Schlauchmessverfahren.
  • OTA Firmware Update
  • Time Display Funktion für Alge Comet Zeitmessmodule (ab Version VX.04)
  • Einstellung der Display Helligkeit für Energieeinsparung z.B. bei Battereibetrieb (ab Version VX.05)

Allgemeines

Die hier beschriebene Zeitmessung „Timekeeper“ entstand auf Anfrage für eine Zeitmessung zu Trainingszwecke für eine Gleichmäßigkeitsprüfung, wie sie bei Oldtimer Rennen zur Wertung durchgeführt wird.

Aufgabenstellung:

Beim Durch- bzw. Überfahren eines Startinitiators sollte eine neue Zeitmessung begonnen werden, diese sollte mit dem Durch- bzw. Überfahren des Zielinitiators enden.
Die Zeitnahme sollte in drei verschiedenen Modi erfolgen können, eine reine Zielzeiterfassung, eine Ziel- und Zwischenzeiterfassung (was einen weiteren Zeitmesseingange für die Zwischenzeit notwendig machte) und die Erfassung von zwei Rundenzeiten (LAP1 und LAP 2).

Die gemessenen Zeiten sollten durch eine große Anzeige, die gut aus dem Fahrzeug, nach Beendigung der Zeitnahme abzulesen wäre. Des Weiteren sollte die Möglichkeit bestehen, die gemessenen Zeiten zusätzlich in einer APP auf dem Smartphon angezeigt zu bekommen.

Eine Webserver Ansicht, die alternativ zur APP Ansicht benutzt werden könnte, wurde ebenfalls angestrebt.

Die Anforderungen wurden in diesem Projekt kurzbeschrieben wie folgt realisiert:
Die gesamte Zeitmessung erhielt ein robustes Aluminium Gehäuse mit einer verspiegelten Plexiglasscheibe, hinter der eine gut lesbare LED DOT Matrix Anzeige angebracht wurde.
Die Auflösung des Displays beträgt 1024 Led Bildpunkte.

Um die drei Initiatoren direkt per M12 Steckverbinder anzuschließen, wurden auf der Rückseite des Gehäuses drei Buchsen angebracht, die einen direkten Anschluss von Industrie Laserlichtschranken (z.B. der Firma Leutze) ermöglichen.
Aus diesem Grund wird das Modul mit einem =24V/2A Stecker Netzteil versorgt, dass sogleich die Versorgungsspannung für die angeschlossenen Initiatoren wie auch der internen Elektronik bereitstellt.

Die Zeiterfassung erfolgt Mikrocontroller gestützt, mit einem ESP8266.
Dieser Baustein bietet alle Voraussetzungen, die für die Realisierung des Projektes und eine Anbindung über ein WIFI Netzwerk notwendig sind.
Die dabei erzielte Messgenauigkeit beträgt +/-1 ms.

Eine Externe Antenne sorgt für eine optimale Reichweite des Moduls.

Um die ermittelten Zeiten direkt auf einem Smartphone anzuzeigen, wurde eine Anbindung an die BLYNK APP realisiert.
Da diese APP ist sowohl für Android als auch für IOS erhältlich ist. Sie überzeugte durch ihr offenes und flexibles Konzept und ist zudem eine sehr kostengünstige Lösung für den Endkunden.

Durch den Kauf von zusätzlicher Energie, kann die App leicht und flexibel um weitere Anzeigen und Funktionen erweitert werden.

Ist keine Internetverbindung möglich oder vorhanden, arbeitet das Timekeeper Modul somit nach der Initialisierung im Standalone Modus, die ermittelten Zeiten werden auf dem Display angezeigt.

Zusätzlich können die gemessenen Zeitinformation in diesem Betreibsmodus aber auch über ein integriertes Webinterface abgerufen und angezeigt werden. Hierfür wird ein interner Access Point geöffnet, mit dem man sein Smartphon verbinden kann, um auf die ermittelten Zeiten zuzugreifen.

Ist eine Anbindung an ein lokales WLAN und somit eine Internet Verbindung vorhanden, bietet das Modul weitere Optionen für die Bedienung und die Zeitanzeige.

Es ist dann z.B. möglich die neusten Firmware Updates vom Webserver des Herstellers direkt in das Modul zu laden und zu installieren.

Ein integrierter NTP-Zeitservice stellt dann die aktuelle Uhrzeit und das Datum zur Verfügung. Wird mit dem Modul länger als 90 Sekunden keine neue Zeitmessung mehr durchgeführt wird diese dann automatisch auf dem Display angezeigt.

Die Auswahl verschiedener Funktionen erfolgt über dem MODE-Taster auf der Rückseite des Moduls. Damit kann ein Menü aufgerufen werden, um die Funktionsweis des Moduls zu konfigurieren.

Die M12 Buchsenanschlüsse sind kompatible mit der von uns empfohlenen Leuze Laserlichtschranken von Typ PRKL 25 4.1 200-S12 und können somit direkt angeschlossen und betrieben werden.

Steckerbelegung Lichtschranken:

Draufsicht M12 Buchse:



Blynk Applikation:

Webansicht:

Kundenreferenzen des Auftraggebers:

Folgende Links wurden uns vom Kunden, der die Entwicklung des Timekeeprer bei und beauftragt hat zur Verfügung gestellt.

Versionsverlauf:

Aufgrund einer Server Umstellung, können OTA-Updates nun  nur noch ab der Version 1.02 durchgeführt werden!

Intended:

  • Firmware Version 05
    Einstellen der Display Helligkeit.
    Timekeeper-BLYNK-Token V.05
    Timekeeper-BLYNK-Token V.05
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    Version: V1.05
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Released:

  • 08.09.2021 Alle HW Versionen, Firmware Version 04
    Optionale Anbindung eines ALGE Comet zur Zeitanzeige. Hierfür ist eine Hardware- Anpasung und Erweiterung des Timekeeper Moduls notwendig.

  • 18.04.2021: Alle HW Versionen, Firmware Version 03
    – Überarbeitung der Interrupt Routiene bei der Zeiterfassung für
    eine höhere Genauigkeit.
    – Neuen Menüpunkt zum abschalten der WIFI Verbindung (Zeiteinsparung beim Starten, wenn kein WIFI verfügbar).
    – Anzeige Fortschrittsanzeige während deines Firmwareupdates.
    – Verbesserung der Systemsabilität.
    – Geänderte Hardware bei den DOT Matrix Displays von Maxim, unterscheidung über die Hardware Version des Timekeeper Moduls bei OTA-Update
    Timekeeper-BLYNK-Token V.03
    Timekeeper-BLYNK-Token V.03
    Timekeeper-BLYNK-Token-V.03.png
    Version: V.03
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  • 15.12.2020: Version 1.02
    – Neue „Hold Ini“ Zeitnahmefunktion.
       Misst die Zeitdauer, die der Initiator aktiv war.
    – Eine Änderung der Zeitnahmemethode direkt am Timekeeper
       wird nun auch rückwärts in der Blynk App Blynk App
       aktualisiert.
    – Wenn kein NTP Zeitserver Server erreichbar ist, wird die
       Uhrzeit / Datum Anzeige am Timekeeper Modul abschalten.
    – Erweiterte Webdarstellung, Listenansicht mit bis zu zwanzig
       Einträge und einem CSV Export Funktion.
    Timekeeper-BLYNK-Token-V1.02
    Timekeeper-BLYNK-Token-V1.02
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  • 08.05.2019: Version 1.01
    „Single Ini“ Zeitnahmefunktion mit nur einem Initiator, Trenddarstellung der Zeitdifferenz und Umgestaltung der Bedienelemente.
    Erweiterung der Blynk App um ein Eingabefeld für die Entfernung zwischen dem Start- und Ziel Initiator sowie die Integration einer Anzeige der daraus berechneten Geschwindigkeit.
    Timekeeper BLYNK Token V1.01
    Timekeeper BLYNK Token V1.01
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    Version: 1.01
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  • 20.04.2019: Version 1.00
    Timekeeper finale Version 1.00, Firware released.
    Timekeeper BLYNK Token V1.00
    Timekeeper BLYNK Token V1.00
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    Version: 1.00
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