Wetterstation für Experten
Die Anleitung für Experten baut auf der Anleitung für Fortgeschrittene auf und erweitert die Wetterstation um zahlreiche Komponenten. Damit das Endprodukt professionell aussieht liefern wir Dir zusätzlich einen Vorschlag für ein Platinen- und ein Gehäusedesign. Die Dateien dazu findest Du auch auf unserer Github Seite.
Da die Wetterstation auch autonom und fern von festen Stromquellen betrieben können soll, bietet sie Anschlüsse für eine LiPo-Batterie. Diese kann den unabhängigen Betrieb der Wetterstation für viele Tage gewährleisten. Zusätzlich verfügt sie über mehrere Anschlüsse für Solarpanels, deren Ausgangsstrom bei guter Sonneneinstrahlung dazu genutzt wird, die angeschlossene Batterie zu laden, um so bei guter Positionierung der Solarpanels einen vollkommen autonomen Betrieb der Wetterstation ohne jeglichen menschlichen Eingriff zu ermöglichen. Die Wetterstation verfügt außerdem über einen Micro-USB-Eingang, über den entweder die Batterie geladen oder – bei nicht angeschlossener Batterie – die Wetterstation an sich mit Strom versorgt werden kann.
Benötigte Komponenten:
- 1x Mikrocontroller ESP32
- 1-2x Sensor BME280
- 1x TP4056-Charger-Board
- 1x MCP1700 (LDO-Spannungswandler)
- 1x RGB-LED
- 1-2x Solar-Paneele
- 1x Li-Po Akku
- Diverse Widerstände und Kondensatoren
- Lötkolben
- 3D Drucker für das Gehäuse
- PCB Drucker für die Platine
Dem Nutzer wird eine geringe Batterieladung (derzeit ab unter 20%) bei jedem Systemstart für einige Sekunden, durch eine dauerhaft rot leuchtende LED signalisiert, sodass ihm genügend Zeit bleibt, sich um die Fortführung der Stromversorgung der Wetterstation Gedanken zu machen. Die Batterieladung wird dabei über das Spannungslevel der Batterie berechnet.
Platinendesign
Mit dem Platinendesign wollen wir Dir die Möglichkeit geben, Deine Station einfach, elegant und stabil zu gestalten, anstatt die Komponenten einfach nur auf ein Steckbrett zu stecken. Zu diesem Zweck nutzen wir das frei verfügbare Programm EAGLE und teilen mit Dir unsere Pläne. Zunächst erklären wir Dir dafür den Schaltplan und dann den Boardplan mit unseren Designentscheidungen.
Falls Du keinen PCB Drucker hast, kannst Du die Platine auch bei einem Auftragsfertiger erstellen lassen. Alternativ kannst Du natürlich auch weiterhin alles auf einem Steckbrett (Abbildung 1) entwickeln oder Du kaufst Dir eine Lochplatine und lötest Drahtbrücken für die Leiterbahnen auf.
Schaltplan
Wie man anhand des Schaltplans schon sehen kann, ist unsere Wetterstation um einige Funktionen erweitert worden. Der ESP32 Mikrocontroller ist dabei weiterhin die Zentraleinheit der Wetterstation und führt alle Steuerungen durch. Es können nun bis zu zwei BME280 Sensoren angeschlossen werden, um eine höhere Messgenauigkeit zu erzielen. Wir gehen jetzt auf die einzelnen Funktionen, die hinzugefügt worden sind, ein.
- Anschlüsse: Der Anschluss JP1 ist als Anschlussmöglichkeit für eine Batterie und bis zu zwei Solarpanels gedacht, die man von außen an die Station anschließen möchte. Die Platine ist so designed das am Ende diese in eine Box eingebettet ist und deshalb diese externen Anschlüsse benötigt. JP3 und JP4 sind dafür gedacht, wenn man auf eine externe Anschlussmöglichkeit verzichten möchte und z.B. direkt durch die Box bohren möchte und die Solarpanels oder den Batterieanschluss JP5 direkt anschließen möchte.
- Stromversorgung: Das Batterieladesystem TP4056 ermöglicht das gleichzeitige Stromliefern und Laden von LiPo-Batterien über Solarpanels oder Micro-USB. Die Wetterstation stellt jeweils zwei Anschlüsse für Batterien und vier für Solarpanels bereit, gleichzeitig genutzt werden sollten allerdings maximal nur eine Batterie und zwei Solarpanels. Der Spannungswandler MCP1700 in Kombination mit zwei Kondensatoren, wandelt die Ausgangsspannung der angeschlossenen Stromquelle – entweder Batterie oder USB – in konstante 3,3 Volt, welche wiederum in den 3,3 Volt Pin des ESP32 geführt werden, um diesen zu betreiben. Sowohl am Eingang der Batterie und der Solarpanels hängt jeweils ein Spannungsteiler. Dieser regelt die angelegte Spannung jeweils auf einen Wert zwischen 0 und 3,3. Durch diese Abstraktion kann der Wert vom Analog-zu-Digital-Wandler des ESP32 gelesen und daraus programmatisch der Ladestand der Batterie sowie die Stärke der Sonneneinstrahlung berechnet werden. Ein Aus- und Einschalter trennt den ESP32 von der Stromzufuhr, wodurch die Wetterstation ausgeschaltet werden kann.
- Status-LED: Eine RGB-LED zur Anzeige des Zustands der Wetterstation und wichtiger Informationen. Mögliche Zustände sind: Setup-Mode aktiv, verbinde WLAN, Batterie schwach, Senden erfolgreich, Fehler aufgetreten.
- Reset-Button: Ein Reset-Button zum Aktivieren des Setup-Modus und zum Neustarten der Wetterstation
Boardplan
Die Leiterplatte (Abbildung 3) der Wetterstation hat eine Breite von 10,2 cm und eine Länge von 7,6 cm, wobei wir uns bei der Wahl der Maße an die vorhandenen Leiterplatten-Rohlingen des PCB-Printer Voltera V-One (Abbildung 4) orientiert haben.
Alle verwendeten Hardwarebauteile sind Durchsteck-Komponenten, die auf der Oberseite der Leiterplatte angebracht sind und auf der Unterseite festgelötet werden. Die Leiterbahnen zwischen den Komponenten verlaufen auf der Unterseite der Leiterplatte von einem Lötpad zum anderen.
Auf dem Boardlayout sind außerdem in weißer Farbe die Umrisse der aufzubringenden Hardwarekomponenten und die Polarität der aufzusteckende Strom liefernden Komponenten und das MoWeSta-Logo zu sehen.
In EAGLE ist dies an der blauen Färbung der Leiterbahnen innerhalb des Boardlayouts zu erkennen. Eine rote Einfärbung würde eine Führung auf der Oberseite bedeuten. Wir haben die Leiterbahnen so geführt, dass ein beidseitiges Bedrucken der Leiterplatte mit Leiterbahnen vermieden werden soll. Ein Seitenwechsel einer Leiterbahn hätte eine zusätzliche Bohrung durch die Platte verlangt, was wenn möglich bei der privaten Herstellung einer solchen Platine zu vermeiden ist, um den Arbeitsaufwand zu reduzieren. Das einseitige-Design ist auch für die vom Vorteil, die vorhaben diese Platine selbst zu ätzen, so spart ihr euch die teureren zweiseitigen Platinen und das komplizierte Ausrichten für das beidseitige Belichten und Ätzen.
Auf der fertigen Platine in Abbildung 5 ist gut zu sehen wie die einzelnen Komponenten angebracht sind. Weder die Leiterbahnen noch die Lötungen sind zu sehen, da sich diese komplett auf der Rückseite befinden. Da es sich hierbei um eine externe gefertigte Platine handelt, haben wir uns der Optik halber für die weiße Aufschrift entschieden. Anstatt den BME280, ESP32, TP4056 und die LED direkt auf das Board zu löten, haben wir uns dazu entschlossen Buchsen einzulöten, um in diese dann die eben genannten Bauteile einzustecken. Dies erlaubt uns bei einer möglichen Schädigung einen leichten Austausch.
Gehäusedesign
Als Software für das Design kommt Solid Edge zum Einsatz. Das Gehäuse der Wetterstation wurde unter Beachtung mehrerer aus Anwendersicht kritischen Anforderungen entwickelt.
- Zum Schutz der Wetterstation vor Umwelteinflüssen ist es notwendig die hergestellte Leiterplatine mit allen aufgebrachten Hardwarekomponenten durch ein Gehäuse zu schützen. Dieses Gehäuse soll sich möglichst leicht und ohne extra Komponenten öffnen und schließen lassen. Zusätzlich muss es eine sichere Befestigung für die Leiterplatine bieten, um jegliche selbstständige Bewegung dieser zu vermeiden.
- Trotz des nötigen Schutzes vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, muss ein ständiger Luftaustausch innerhalb des Gehäuses herrschen. Dies dient dazu einem möglichen Hitzestau vorzubeugen und somit fehlerhafte Messungen der Sensoren zu vermeiden.
- Das Gehäuse soll so kompakt wie möglich sein, ohne die Nutzung des Nutzers in irgendeiner Weise einzuschränken, da davon ausgegangen wird, dass die Wetterstation in den meisten Fällen autonom ohne feste Stromquelle betrieben wird und deshalb die Stromversorgung über eine Batterie erfolgt, ist ein Einschub für eine solche Batterie im Gehäuse enthalten, um auch diese zu schützen.
Unser Vorschlag für das Gehäuse (Abbildung 6 und 7) ist 8,7 cm lang, 13,3 cm breit und 3,0 cm hoch und bietet Platz für alle Hardwarekomponenten der Wetterstation und eine Batterie inklusive Halterung. Es besitzt eine Einschuböffnung, in die die Leiterplatine eingeschoben wird und nach vollständigem Einschub festsitzt. Unterhalb und oberhalb der eingeschobenen Leiterplatte besteht genügend Platz für eventuell herausragende Bauteile oder Kabel. Das Gehäuse ist an einer Seite offen, kann aber durch den Einschub der fehlenden Wand in ein weiteres Schienensystem vollständig und fest geschlossen werden. Diese Wand ist mit sechs Luftschlitzen ausgestattet, sodass innerhalb des Gehäuses immer ein reger Luftaustausch besteht. Für das leichtere Entfernen der Wand, z.B. mit dem Fingernagel, ist auf ihrer Vorderseite eine Vertiefung angebracht. Auf der Hinterseite des Gehäuses befinden sich Öffnungen für einen Ein- und Ausschalter, eine Status-LED, den Micro-USB Anschluss und die Anschlüsse für zwei Solarpanels und eine Batterie. Die Wanddicke des Gehäuses beträgt 2 mm. Wir empfanden dieses Maß als besten Kompromiss zwischen „zu dick“ und damit zu schwer und massiv und „zu dünn“ und damit zu zerbrechlich. Nicht zu vergessen ist natürlich das eine solche Box schlicht schön anzusehen ist.
3D Druck
Wir vermuten, dass die meisten von euch keine eigene CNC-Fräse besitzen aber ein 3D-Drucker ist immer häufiger anzutreffen. Das Design ist deshalb auch für 3D-Drucker angepasst. Es kann dennoch durchaus schwierig werden, die passenden Parameter für einen erfolgreichen und schönen Druck zu finden, wir selber fuhren aber mit der einfachen Standard „high Quality“ Einstellung gut. Dies gilt für den gezeigten Zortrax M200 und Ultimaker 2 & 3.
Um ein besseres Druckergebnis zu erzielen, sollten so wenige Objekte wie möglich gleichzeitig gedruckt werden. Je größer die auf der Druckplatte aufliegende Grundfläche ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich das Phänomen Warping zeigt und in manchen Fällen den Druck unbrauchbar macht. Warping wird durch eine zu große Spannung im Druckobjekt verursacht, wodurch sich das Material an den Rändern abhebt und so unschöne und ungewollte Rundungen in ansonsten geraden Flächen entstehen.
Wir haben deshalb jedes Teil einzeln mit Stützstrukturen gedruckt, die wir dann nachträglich entfernt haben. Die Stützstrukturen werden von der Software automatisch eingefügt, wenn die entsprechende Option ausgewählt ist und Überhänge im dem zu druckendem Objekt sind, die flacher als ein bestimmter festgelegter Winkel sind und sollen das Einsacken des Materials während des Druckens verhindern. Die Box wurde so konzipiert, dass die Überhänge, die sich am Schienensystem zum Einschub des Wandteils befinden, während des Slice-Vorgangs manuell entfernt werden können, ohne den Druck negativ zu beeinflussen.
Wir haben die besten Druckergebnisse erzielt, wenn die Objekte wie in Abbildung 9 angeordnet wurden.
Halterungen für Sonnenkollektoren
Wie bereits vorher erwähnt, wollen wir euch die Möglichkeit anbieten die Wetterstation so mobil und autark wie möglich zu gestalten und haben deshalb Anschlüsse für Solar-Paneele vorgesehen. Damit diese aber nicht nur einfach rumliegen, sondern einen festen Stand haben, stellen wir euch zwei Designs für eine mögliche Halterung dieser vor.
Um möglichst alles kompakt und an einem Ort zu halten, ist das erste Design als Aufsatz des zuvor präsentierten Gehäuses gedacht, zu sehen in Abbildung 10 und 11. Um je nach Platzierung der Wetterstation die optimale Anstrahlung der Solar-Paneele für eine ausreichende Stromversorgung zu garantieren, sind viele Halteschlitze von ca. 0° bis 90° angebracht, in die die Solar-Paneele eingeschoben werden können.
Die Solar-Paneele sollen so viel wie möglich Energie erzeugen, damit die Wetterstation möglichst lange und wartungsarm betrieben werden kann. Hierfür ist es wichtig, dass die Sonnenstrahlen in einem möglichst steilen Winkel auf die Oberfläche der Paneele fallen. Da sich der Stand der Sonne über den Tag ändert und motorgesteuerte automatische Ausrichtung der Solar-Paneele für den optimalen Anstellwinkel, zu viel Energie kostet, ist es wichtig, einen bestmöglichen Kompromiss des Einstellwinkel für die Ausrichtung der Paneele zu finden.
Durch die Bogenform der Panelhalterungen kann es jedoch dazu führen, dass diese durch Schattenwurf die Solar-Paneele teilweise bedecken. Hier muss man sich entscheiden, ob man lieber sämtliche Einstellwinkel verwenden möchte, oder lieber mit einer Zange nicht genutzte Zahnreihen entfernt, um somit den Schattenwurf zu verringen.
Das zweite Design, zu sehen in Abbildung 12, wurde möglichst schlicht entworfen, mit einem fixen Winkel von 30°. Die 30° ergeben sich aus Empfehlungen, welche diesen Winkel für festinstallierte Photovoltaikanlagen in unserem Breitengrad vorsehen. Über mehrere vorgedruckten Löcher lassen sich die Halterungen mittels Schrauben und Unterlegscheiben nicht nur direkt auf der Wetterstation befestigen, sondern auch an Hauswänden oder Dächern. Ihr könnt somit eure Solar-Paneele irgendwo extern anbringen, achtet aber dann auf die nötige Kabellänge.
Noch mehr …
Wir haben Dir nun gezeigt wie man unseres Erachtens eine schöne Wetterstation bauen könnte. Die von uns zur Verfügung gestellten Mittel darfst Du gerne nutzen und auch nach Deinen Wünschen verbessern.
Solltest Du weitere coole Ideen haben oder sonst irgendwelche Anmerkungen, würden wir uns über Feedback und Anmerkungen zu diesen Anleitungen freuen. In Abbildung 13 siehst Du z.B. ein kleines Display für die Leute, die die Daten auch mal gerne am Gerät ablesen wollen, beachte aber das solche Komponenten natürlich mehr Strom verbrauchen und Du Dir eventuell um die Stromversorgung Gedanken machen musst.
Vielen Dank für Dein Interesse und Deine Unterstützung, hab Spaß mit Deiner Wetterstation!
