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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 ├╝ber die Ethernet Schnittstelle verzichtet werden und die Daten k├Ânnten stattdessen per WLAN Verbindung ├╝ber den Mikrokontroller ESP32 versendet werden.

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

Wetterdaten:
  • Aktuelle Windgeschwindigkeit
  • Aktuelle Windrichtung (0 ÔÇô 360 ┬░)
  • Windrichtungswert als Windrichtungsindex
  • Aktuelle Au├čen- und Modultemperatur
  • Aktuelle Daten vom Kapazitiven Regensensor
  • Aktuellen LUX Wert, RAW Index und den Wei├č Wert.
  • Regen Bit der Regenerkennung
  • D├Ąmmerungsbit der D├Ąmmerungserkennung
  • 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 ├╝ber Ethernet, unten rechts im Bild.

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

Die Platine der verf├╝gt ├╝ber folgende Anschl├╝sse:

  • Einen Programmieranschluss f├╝r Firmware Updates
  • Einen RJ45 Netzwerkanschluss
  • Schraubanschl├╝sse f├╝r die Sensoren

Die ersten beiden Klemmanschl├╝sse dienen dem Anschluss der Versorgungsspannung, diese kann in einem Bereich von 7 ÔÇô 27 V= liegen.

Der n├Ąchste Anschluss wurde f├╝r einen potentialfreien Eingangskontakt vorgesehen, an den z.B. ein Regenmengenmesser mit Read Kontakt angeschlossen werden k├Ânnte (optional).

Der n├Ąchste Klemmenblock stellen zwei stabilisierte Ausgangsspannung 3.3V und 5.0 V zur Verf├╝gung. Hiermit k├Ânnen Beispielsweise externe Sensoren mit Spannung versorgt werden. Die n├Ąchsten beiden Klemmen GND und 1-Wire dienen zum Anschluss von externen 1-Wire Sensoren. In diesem Projekt wird hierr├╝ber Au├čentemperatur mit einem 1-Wire Sensors vom Typ DS18B20 gemessen.

Die Letzten Klemmen sind Anschlussklemmen f├╝r zwei analogen Eingangskan├Ąle. Diese k├Ânne je nach Bedarf wahlweise 0 ÔÇô 10 V oder 0 ÔÇô 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 f├╝r die Windrichtung angeschlossen werden.

Eine Kalibration der Messbereiche f├╝r die beiden Analogeneing├Ąnge U-in / I-in, erfolgt f├╝r jeden Kanal getrennt, mit je zwei Spindelpotentiometer.

Hierbei wird zuerst der Spannungseingang abgeglichen und das entsprechende Spindelpotentiometer zun├Ąchst 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.

Anschlie├čend wird der Spannungseingang getrennt und derselbe Vorgang mit dem Stromeingang durchgef├╝hrt. So k├Ânnen beide Eingangskan├Ąle 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 Eing├Ąnge der Wetterstation sind gegen ESD gesch├╝tzt, Die beiden Analogeing├Ąnge haben zus├Ątzlich noch einen Verpolungsschutz und eine Einganswert Limitierung um bei einem zu hohen Spannungs- bzw. Stromwerts am Eingang den Mikrokontroller nicht zu zerst├Âren.

Der Regensensor basiert auf einer Kapazit├Ątsmessung.

Siehe hierzu:
Kapazitiver Regensensor mit einem ESP8266 / Arduino

Die ermittelte Kapazit├Ąt wird ├╝ber einen NE555 in ein digitales Frequenzsignal gewandelt und an den Mikrokontroller weitergeleitet, der dann die Berechnung und Auswertung ├╝bernimmt.

Es sind zwei Temperaturmessung vorhanden, die ├╝ber 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 Geh├Ąuseinnentemperatur, der zweite Sensor ist ein Wasserdichter Edelstahlsensor der in drei Leiter Technik ├╝ber die Klemmen des 1-Wire Eingangs angeschlossen ist und die Au├čentemperatur misst.

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

Das Herzst├╝ck der Schaltung ist ein ESP32 Mikrokontroller mit 4 MB Flashspeicher der Firma Espressif. Dieser Kontroller verf├╝gt ├╝ber ein WLAN und Bluetooth Radio, das jedoch in diesem Projekt nicht zum Einsatz kommt, da der Datenaustausch ├╝ber 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 f├╝r die Wetterstation k├Ânnte z.B. auch direkt ├╝ber das Netzwerkkabel, per Power Over Ethernet kurz PoE erfolgen. Hierf├╝r k├Ânnte ein PoE-Splitter, der eine stabilisierte Gleichspannung von 12V aus dem Signalkabel ausschleust, in das Geh├Ąuse der Wetterstation eingebracht werden. Auf diese Weise k├Ânnte dann auch die Spannungsversorgung f├╝r den Wind- und Windrichtungssensor erfolgen.

Firmware Update

Um ein neues Firmware Update in den ESP32 Mikrokontroller zu laden, verf├╝gt die Platine ├╝ber einen zweireihigen, acht poligen Steckverbinder, an den der passende USB-Programmieradapter angesteckt werden kann, um eine neue Firmware in den Mikrokontroller der Wetterstation zu ├╝bertragen.

Bei einer Verbindung per WLAN, k├Ânnte ein Update aber auch per OTA (Over the air) erfolgen. Diese Option seht leider bei einer Anbindung per Ethernet nicht zur Verf├╝gung.

Der USB-Programmieradapter muss dabei so aufgesteckt werden, dass er von der Grundplatine weg zeigt. Ein Vertauschen oder falsches aufstecken f├╝hrt zur sofortigen Zerst├Ârung der Wetterstation!

Das Herunterladen einer neuen Firmware darf deshalb nur von einer entsprechend eingewiesenen Person oder einem Fachmann durchgef├╝hrt werden!

F├╝r 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 Eingangskan├Ąlen noch Sensoren angeklemmt sind. Deshalb wird auch hier empfohlen dies vor dem Flashvorgang zu entfernen!