Der Source Code für dieses Projekt kann in unserem Web Shop erworben werden.
Allgemeines:
Anfang 2021, wurde von uns eine IoT-Wetterstation für eine Projekt in Südtirol entwickelt. Ein Teil der Aufgabenstellung bestand darin, einen kapazitiv arbeitenden Regensensor zu integrieren.
Nach Abschluss der Entwicklung, blieben aus dem Prototyping noch einige der Sensor Platinen übrig, die wir anschließend über unseren Web-Shop angeboten haben.
Um dem interessierten Kunden das Funktionsprinzip näher zu bringen und eine Anleitung für den grundlegenden Aufbau eines kapazitiven Regensensors anzubieten, wurde der folgenden Artikel auf unserem Blog dazu veröffentlicht: Kapazitiver Regensensor.
Da die Kundenanfragen für diesen Sensor unerwartet groß waren, haben wir uns entschlossen ein kleine Auswerte Platine zu entwickeln, die mit einem ESP8266 (WEMOS D1 mini) ausgestattet ist und die Sensordaten per Webserver und MQTT zur Verfügung stellt.
Zusätzlich befindet sich auf der Auswerte Platine ein potentialfreier Relais Schaltkontakt, der es erlaubt bei einer Regenerkennung auch direkt einen externen Schaltvorgang auszulösen. Um z.B. eine Markise ein zu fahren.
Aufbau Hardware:
Das Regensensor Modul besteh aus drei Einzel Komponenten
- Kapazitive Sensorplatine
Die Funktionsweise der Sensorplatine wird bereits im Beitrag Kapazitiver Regensensor ausführlich beschrieben, weshalb wir hier nicht mehr näher darauf eingehen werden. - Auswerteeinheit
Die Platine der Auswerteeinheit bildet das Gegenstück zur Sensorplatine. Die beiden Platinen besitzen dieselben Abmessungen, was bei der Befestigung z.B. in einem geeigneten Gehäuse wie einer Verteilerdose von großem Vorteil ist. Die Bohrlöcher für die Befestigung der Auswerteeinheit werden somit komplett von der aufgeklebten Sensorplatine überdeckt und bietet so einen perfekten Korrosionsschutz.
Auf der Platine befindet sich ein DS18B20 Temperatursensor, der durch seine Position die Gehäuseinnentemperatur und gleichzeitig die Temperatur kurz unterhalb der Sensorplatine erfasst. Auf diese Weise kann in den Wintermonaten verhindert werden, dass sich Forst auf dem Sensor bilden kann, der am Ende zu Fehlmessungen führt. Die Firmware des Mikrokontrollers schaltet bei einem Regenereignis die Sensorheizung automatisch ein, um ein schnelleres Abtrocknen zu der Sensoroberfläche zu gewährleisten und somit auf das Ende eines Regenereignisses schnell reagieren zu können.
Unterschreitet die vom Temperatursensor gemessene Temperatur 3 °C, wird die Sensor Heizung ebenfalls aktiviert um Frostbildung auf der Sensoroberfläche zu verhindern. Hierbei wird die Heizung im Zeitabstand von 15 Sekunden ein- und ausgeschaltet. So wird auf der einen Seite Energie gespart aber auch die Temperatur des Sensors begrenzt. Den wenn sich kein Kondensat auf der Sensoroberfläche befindet, was durch die Erwärmung verdampfen kann, kommt es auch nicht zu einer Abkühlung durch Verdunstung. - Die Spannungsversorgung der Sensorheizung wird über eine 500mA selbstrückstellende Sicherung geschützt. Der WMOS D1 mini besitzt eine eigene selbstrückstellende Sicherung. Die Spannungsversorgung erfolgt nicht über die Micro USB-Buchse, sondern über die zwei auf der Platine herausgeführten Lötpunkte *5V und GND. Nähere Informationen hierzu erhalten Sie in der Dokumentation, die sie oben im Beitrag kostenlos herunterladen können.
ACHTUNG:
Auf der Platine ist kein Verpolungsschutz vorhanden! Ein falscher Anschluss der Spannungsversorgung führt zu einer Zerstörung der elektronischen Bauteile.
Das Netzteil benötigt eine stabilisierte Ausgangsspannung von 5V= und mindestens 1A Ausgangs Strom, um die Auswerteeinheit und die Sensor Heizung sicher zu betreiben.
- Auf der Platine der Auswerteeinheit befindet sich auch noch der hochgenaue Langzeit Timer 7555, der hier als 3V Variante bestückt ist und die Kapazitätsfrequenzumsetzung durchführt. Als letztes Bauteil ist nun noch das Read Relais zu nennen, dass einen potentialfreien Ausgangskontakt zur Verfügung stellt und bei einem Regenereignis ein externes Schaltsignal zur Verfügung stellt.
Der ungenutzte Raum der Platine wurde mit einem 2,54mm Lochraster versehen, das noch genügend Raum für eigenen Erweiterungen und Ideen bietet. - WEMOS D1 mini pro
Das verwendetet WEMOS D1 mini Board wird in einer an das Schaltungsdesigne der Auswerteeinheit modifizierten Variante ausgeliefert! (Nähere Informationen hierzu finden Sie in der Technischen Beschreibung)
Es besitz 4 MB Flash, was ausreichend Platz für zukünftige Erweiterungen oder eigenen Ideeen bereithält. Das Modul wird mit der aktuellen Firmware ausgeliefert, kann aber jeder Zeit über ein Internetverbindung OTA auf die neueste Firmware Versionen upgedatet werden.
Alle Anschlüsse des WEMOS sind nochmals separat auf dem Lochraster (Stiftleiste 2,54mm) herausgeführt.
Aufbau der Firmware:
Um das Regensensormodul in das lokale Netzwerk zu integrieren, wird Anfangs ein eigener AP geöffnet. Verbindet man sich mit diesem AP und öffnet man anschließend im Webbrowser die IP-Adresse 192.168.4.1 gelangt man in das Konfigurationsportal des Regensensor Moduls.
Hier können dann alle notwendigen Einstellungen für das lokale Netzwerk (SSID, Kennwort) und die die Verbindung zum MQTT-Broker (Server IP, Benutzername, Kennwort und Port) vorgenommen werden.
Konnte anschließend mit den eingegebenen Informationen eine Verbindung zum lokalen Netzwerk hergestellt werden, sind alle Daten und Konfigurationen des Sensors wie Einschaltschwellen, die Schalthysterese usw. neben dem MQTT-Broker auch über das integriertes Web-Interface erreichbar.
Die Kapazität des Sensors steht als Rohwert vom Sensor zur Verfügung. Für die Auswertung der Schaltschwelle, wird der kompensierte (kalibrierte) Sensorwert herangezogen.
Um nicht mit dem absoluten Kapazitätswert des Sensors arbeiten zu müssen, kann der Sensorwert bei Trockenheit selbst definiert werden. Hierfür wird eine Kalibrierung durchgeführt. So dass der Kompensierte Sensorwert dann bei Trockenwetter null hat.
Wandert der Wert um 10 pF in den negativen Bereich führt das Sensormodul einen automatischen Nullabgleich durch.
Ansicht im IO-Broker:
Die Ansicht zeigt alle verfügbaren Parameter des Sensormoduls. Die großgeschriebenen Parameter können über den Broker geschrieben werden.
Beschreibung der Notes
| Note Name | Beschreibung | Lesen / Schreiben |
| INFO/Hostname | Bezeichnung des Moduls | Read |
| INFO/IPAdress | Aktuelle IP-Adresse | Read |
| INFO/Modul | WLAN-Modul | Read |
| INFO/RestartReason | Beschreibung des letzten Neustart Ereignisses | Read |
| INFO/Version | Aktuelle Firmware Version | Read |
| CALIBRATE | Sensorkalibrierung (set true) | Read / Write |
| CHECKUPDATE | Neustes Firmware Update laden (set true) | Read / Write |
| CalCapacity | Kapazitäts- Kompensationswert | Read |
| CompCapacity | Relativer (kompensierter Kapazitätswert pF) | Read |
| CurCapacity | Aktuelle Sensor Kapazität (absolut Wert pF) | Read |
| CurFrequency | Aktuelle Sensorfrequenz (Hz) | Read |
| HystCapacity | Schalthysterese Kapazitätswert (pF) | Read |
| Heating | Status der Sensorheizung | Read |
| Rain | Status der Regenerkennung | Read |
| TRSHCAPACITY | Schaltschwelle für die Regenerkennung (pF) | Read / Write |
| Temperature | Ds18B20 Temperatursensor Wert (°C) | Read |
| Uptime | Zeit seit dem letzten Neustart | Read |
| Vcc | Prozessor Core Spannung | Read |
*Alle groß geschrieben Notes sind beschreibbar!
Einfaches Blockly Skript für den IO-Broker
In diesem Abschnitt soll Beispielhaft die Integration einer Markisen Ansteuerung mit einem Blockly Skript für den IO-Broker gezeigt werden.
Die Variable „Rain-Trigger“ ist eine User definierte boolesche Variable im Broker und dient hier als Trigger für das Umschalten zwischen den Zuständen der Regenerkennung und der Regenende Erkennung.
In diesem Skript wird bei einer Regenerkennung ein kurzer „Close“ Befehl an einen Shelly 2.5 Rollladenschalter gesendet, eine Bedienung durch den Nutzer bleibt somit jederzeit weiterhin möglich.
Shelly 2.5 Rollladenschalter bei Amazon
Ansicht im Webbrowser:
Analog zur Ansicht im Broker stehen alle Parameter auch im Webbrowser Interface zur Verfügung.
Montage Vorschlag:
Das Regensensor Modul sollte in einem Winkel von ca. 30° mountiert werden, damit der auftreffende Regen die Sensoroberfläche nur benetzt und abfließen kann. Das Modul lässt sich leicht in eine Hensel Verteilerdose (ohne Klemmen) mit den Abmessungen 104 mm x 104 mm, vom Typ DK 0200 G / IP66 einbauen.
Abzweigdose DK 0200 G / IP66 bei Amazon
Hinweis:
Die oben genannte Abzweigdose besitzt keine Einführungen oder Würgenippel. Die Einführungsöffnungen sind mit einer Gummimembrane ausgestattet, die leicht durchstochen werden kann und das Kabel anschließend wieder Wasserdicht umschließt.
Im ersten Schritt werden die Befestigungslöcher für vier Distanzhülsen M3x8mm auf der Deckel Oberseite angezeichnet und mit einem 3,2mm Bohrer gebohrt.
Dann werden die Löcher mit einem Senker soweit angesenkt, dass die M3x4mm Senkkopfschrauben plan in den Senkungen verschwinden.
Anschließend wird mit einem Fräser oder einem Forstner Bohrer ein ca. 25 mm großes Loch für den Sensorstecker und den DS18B20 Sensor ausgemessen und gebohrt.
Nun werden die Distanzhülsen M3x6mm auf der Innenseite des Deckels befestigt und die Auswerteeinheit so montiert, dass die Buchsen Leiste und der Sensor im Sensorbohrloch platziert sind.
Danach kann der Sensor mit Silikon auf den Deckel aufgeklebt werden.
Achten sie beim Aufbringen des Sensors darauf, dass die Stiftleiste richtig in der zehn Poligen Buchsen Leiste steckt, so dass nach dem aufbringen der Sensorplatine auch alle vier Senkkopfschrauben verdeckt werden.
Versionsverlauf:
Intended:
- – Keine weiteren Anfragen offen.
Released:
- 16.07.2021: Alle HW Versionen, Firmware Version 01
– Überarbeitung im Dialog Update, Reset und Restart im Webfrontend vorgenommen. - 03.07.2021: Alle HW Versionen, Firmware Version 02
– Anzeige von Einheiten für den MQTT – Broker erweitert. - 04.06.2021: Alle HW Versionen, Firmware Version 01
– In dieser Version wurde eine Fehlerbeseitigung im
Webfrontend vorgenommen, es betrifft die Umschaltung
der Wirkrichtung des potentialfreien Relais Ausgangs.
