AS549-Wetterstation vom AATiS e.V.

DL3HRT · 26. März 2019, 16:56

Ich habe mir vom AATiS-Bundeskongress in Goslar einen Bausatz AS549 für eine kleine Wetterstation mitgebracht. Da ich schon immer einmal mit dem ESP32 experimentieren wollte, kam mir der Bausatz gerade recht. Als Sensor kommt ein BME680 von Bosch zum Einsatz, welcher Temperatur, relative Feuchte und Luftdruck mit sehr ordentlicher Genauigkeit messen kann. Der BME680 enthält auch einen Gassensor zur Messung flüchtiger Kohlenwasserstoffe, den ich aber beim geplanten Außeneinsatz nicht benötige.

In den letzten Tagen habe ich mich mit dem ESP32 vertraut gemacht und ihm beigebracht, die Impulse eines Zählrohrs zu zählen und daraus die Ortsdosisleistung zu berechnen. Als nächstes wird ein professionelles Pyranometer angeschlossen, mit welchem sich die "Strahlungsleistung" der Sonne in W/m² messen lässt. Zusätzlich ist noch der Anschluss eines Gewittersensors (AS3935) geplant.

Aktuell werden die Messwerte zur kostenfreien Version von ThingSpeak hochgeladen: https://thingspeak.com/channels/728645

Die Baugruppe läuft aktuell zum Testen bei mir im Zimmer. Als Zählrohr ist ein SBM-20 angeschlossen. Die berechneten Werte für die Ortsdosisleistung darf man daher nicht allzu ernst nehmen. Wenn die Wetterstation später im Garten installiert ist, werde ich ein VacuTec 70031A anschließen.

Cs137 · 27. März 2019, 05:37

Find ich sehr schön, wir haben vor einiger Zeit sowas in der Art für die Firma 4n Gallaxy entwickelt. Auf die Daten konnte man per Schnittstelle, 433 MHz Funk, oder WLAN zugreifen. Versorgt wurde alles über eine Silizium Zelle von der Sonne. Das VacuTec Zählrohr haben wir korrigiert und bis 10 mSV/h kalibriert. Der Prototyp lief im freien Installiert 2 Jahre lang völlig autonom und zuverlässig. Leider wurde die Station letztendlich recht teuer. Die umfangreiche Software....... zahlreiche Stunden im Prüffeld und verschiedene Isotope sprengten jeden Rahmen einer Entwicklung.
Kalibriert und korrigiert wurde auf 1000 Messpunkte basierend.

DL3HRT · 27. März 2019, 06:44

Ich habe leider keine Möglichkeit, das VacuTec exakt zu kalibrieren. Insofern muss ich mir die Messwerte der nächstgelegenen Messstationen als Vergleich nehmen und meine Messwerte entsprechend anpassen.

Ein Bekannter betreut einige DWD-Wetterstationen. Da könnte man das Zählrohr neben das der offiziellen Messung bringen und zumindest den Ist-Wert genau abgleichen. Eine Kalibrierung bei höheren Werten ist allerdings nicht möglich.

Hast du eine andere Idee, wie man die Messung mit Hobbymitteln kalibrieren kann?

Die Wetterstation wird auch autark (Solarzelle + Akku) laufen.

DL3HRT · 27. März 2019, 09:36

ZitatKalibriert und korrigiert wurde auf 1000 Messpunkte basierend.

Habt ihr Untersuchungen zum Temperaturgang des Zählrohrs durchgeführt? Im Feldeinsatz muss man sicher mit Temperaturen zwischen -25°C und +45°C rechnen. Die Elektronik klammere ich dabei einmal aus, das ist ein Thema für sich.

DG0MG · 27. März 2019, 10:05

Wieviel Strom verbraucht denn die Baugruppe so im Mittel?

Schon vor 25 Jahren hatten wir hier auchmal sowas: Eine Wetterstation, die (fast) weltweit über Packet-Radio abzufragen war. Der Geigerzähler war ein russischer 'сверчок' ("Grille"), so ein Miniding, aus jetziger Sicht völlig für die Katz'.

Noch interessanter als drahtloses Übertragungsmedium gegenüber WLAN erscheint mir LORAWAN. Das könnte noch ganz andere Messszenarien möglich machen, auch weitab von einem verfügbaren WLAN im eigenen Garten.

Der übrigens sehr lehrreiche Youtube-Kanal von Andreas Spiess (auch Funkamateur) bringt in Richtung ESP32 auch immermal was interessantes.
Er hat mal untersucht, welche Stromspeicher für so eine solarbetriebene Anwendung am besten geeignet sind und kam auf LiFePo4:

Einen Geigerzähler mit ESP32 hat er auch mal gemacht, mit Alarmierung auf dem Smartphone über IFTTT, wenn sich der Wert gefährlich ändert:

DL3HRT · 27. März 2019, 10:57

Wenn Wifi die ganze Zeit über aktiv ist, so muss man mit 80 mA .. 90 mA bei 3,3V rechnen. Während des Sendens im WLAN hat man aber auch Spitzen um die 200 mA.

Verzichtet man auf den Web-Server und baut die Wifi-Verbindung nach jedem Senden zum Datenserver ab, so kommt man vielleicht auf 50 mA bei 3,3V. Würde ich die Zählrohrimpulse nicht zählen, so könnte man den ESP32 in den Schlafmodus versetzen. Da spart man dann richtig. Je nach ESP32-Board kommt man dann mit 1..2 mA aus. Die billigen Boards haben eine China AMS1117 Linearregler verbaut, der sich selbst schon 5 mA genehmigt. Da liegt die Stromaufnahme im Sleep-Modus immer noch bei 10mA.

Mit Lithium habe ich so meine Probleme wenn ich an eine Wetterstation im Freien denke. Im Winter bei strengem Frost könnte es da Probleme geben.

Mein Plan für meine Wetterstation: 5 W - Solarpanel (evtl. auch 10 W) und 7.5 Ah Bleigel-Akku. Damit habe ich reichlich Reserven für diverse zusätzliche Sensoren etc.

DG0MG · 27. März 2019, 12:51

Zitat von: DL3HRT am 27. März 2019, 10:57
Wenn Wifi die ganze Zeit über aktiv ist, so muss man mit 80 mA .. 90 mA bei 3,3V rechnen.

Verzichtet man auf den Web-Server und baut die Wifi-Verbindung nach jedem Senden zum Datenserver ab,

Ich hab den Artikel im PH so verstanden, dass es ENTWEDER/ODER ist, also entweder Webserver auf dem ESP, dann muss das WLAN natürlich immer an sein - oder Thingspeak, dann schaufelt der ESP die Daten ins Internet und muss dazu das WLAN immer nur kurz anschalten?

Hmmm, 50 mA dauernd. Das sind 24h * 0,05 A am Tag ==> 1,2 Ah, bei 3,7 Volt: 4,4 Wh am Tag.

Zum Vergleich:
Ich selbst habe zur Beleuchtung meines Hofes eine solarbetriebene, in der Nacht DURCHGEHEND leuchtende LED-Lampe mit ca. 1.2 W (100mA @ 12 V), geschaltet von einem Dämmerungsschalter. Die braucht in der Übergangszeit bei ~12 Stunden Leuchtdauer: 12h*0,1A*12V = 14,4 Wattstunden. Im Sommer weniger, im Winter noch mehr. Ich habe eine 20-Watt-Solarzelle und einen 10 Ah-Bleigel Akku. Das System ist im Sommer vollkommen überdimensioniert, aber ab Mitte November bis Ende Februar lädt die Solarzelle so wenig, dass das kaum für ein paar sonnenlose Tage ausreicht. Auch noch bedingt, dass der Standort der Solarzelle auf dem Garagendach im Winter nicht optimal ist. Durch die tiefstehende Sonne werfen die umliegenden Häuser nur in den Abendstunden keinen Schatten.

Soll heißen: Solarzelle und Batteriepuffer mindestens um Faktor 10 zu groß dimensionieren, wenn es wirklich störungsfrei das ganze Jahr laufen soll und Faktoren mit reinspielen, die man nicht ändern kann. Da würde ich demzufolge schon das 10W-Modul nehmen. Wichtig würde ich auch finden, dass die Batterie so groß ist, den Betrieb vollgeladen eine Woche ohne Sonnenschein aufrecht zu erhalten - das kommt auch nur im Winter zum Tragen. 4,5 Wh am Tag ==> 31 Wh in der Woche. Das sollten in der Originalkonfiguration der AS549 schon 5-6 parallelgeschaltete 18650er Li-Ionen-Zellen werden, denke ich. Aber Du hast recht, das ist bei Frost nicht optimal. Und wie oben schon festgestellt, die Spannungslage sowieso nicht.

Zitat von: DL3HRT am 27. März 2019, 10:57
Mein Plan [..] 7.5 Ah Bleigel-Akku.

Bei welcher Spannung?
Dann passt ja auch Helmuts Überladeschutz auf der Platine nicht mehr so ganz und Du brauchst einen extra Solarregler.

Ich würde dann vielleicht gleich eine 12-V-Anlage bauen und den ESP aus einem Step-Down versorgen?
Dann bleibt aber leider vom Bausatz nur noch die Hälfte übrig.

Ich hab damals (vor 2 Jahren) dieses Angebot eines 20-W-Panels genutzt, ein kleines 45°-Gestell dazugebaut und bisher keine Probleme bemerkt. Das Gestell steht mit zwei Beton-Pflastersteinen beschwert auf dem Flachdach.

https://www.ebay.de/itm/391783527604

DL3HRT · 27. März 2019, 13:06

Nicht das wir aneinander vorbeireden: Meine geplante Anwendung hat mit der originalen Anwendung nicht mehr viel gemeinsam. Daher muss ich auch auf andere Energieversorgung umsteigen und kann natürlich auch die ursprüngliche Ladeschaltung nicht mehr verwenden. Aus dem Grund die Idee mit dem 12V-Bleigelakku etc.

So wie AS549 vom AATiS konzipiert ist, kann ich mir autarken Betrieb gut vorstellen. Beim Komplettbausatz bekommt man ein 6V-Solarmodul (150 mA Kurzschlussstrom) und einen 2Ah Li-Akku dazu. Bei der ThinkSpeak-Lösung wacht der ESP32 nur kurz auf, verbindet sich mit dem WLAN-Netz und sendet die Messwerte. Das Ganze dauert ca. 12 .. 13 Sekunden mit einer durchschnittlichen Stromaufnahme von ca. 90..100mA. Danach legt er sich wieder schlafen. Dabei ist die Zeit im Deep Sleep Modus abhängig von der Akkuspannung. Ist diese abgesunken, so bleibt der Controller ca. 30 Minuten im Sleep Modus, bei geladenem Akku nur 5 Minuten.

Ein Problem gibt es mit den mitgelieferten ESP32 Devboards. Am Ausgang des AMS1117-Spannungsreglers liegt die 3.3V Versorgunsspannung vom Akku an, die er über die integrierte Diode auf den Eingang weiterleitet. Am Eingang kann ich dann ca. 2.8V messen. Damit fängt die Elektronik des AMS1117 an zu arbeiten und verbraucht 5mA. Außerdem leuchtet ständig eine rote LED, die auch ca. 2mA benötigt. Die war sicher auch als Last für den Spannungsregler gedacht, damit ein minimaler Strom fließt. In Summe fließt ein Strom von ca. 10mA, auch wenn der ESP32 im Sleep Modus ist. Zum Glück hat man vor dem AMS1117 eine Schottky-Diode eingebaut. Sonst würde die Akkuspannung auch noch zum CP2104 durchgereicht...

Ein Ausweg ist, den Spannungsregler auf dem ESP32-Board zu entfernen. Der wird in der konkreten Anwendung ohnehin nicht benötigt. Zusätzlich kann man noch die rote LED auslöten. Damit dürfte der Stromverbrauch im Sleep Modus bei ca. 2mA liegen. Die Ladeelektronik selbst benötigt ca. 1mA.

DL3HRT · 28. März 2019, 11:29

Eigentlich haben wir doch eine Kalibrierquelle direkt vor der Haustür

: siehe BfS-Messdaten
Wenn man bei normaler Wetterlage misst, also ohne vorherige Niederschläge mit Ausfällung, sollte man doch einigermaßen vergleichen können. Was meint ihr?

DG0MG · 28. März 2019, 11:52

Wenn der Bauer nicht wieder davon genervt ist ..

Aber zumindest den zweiten Punkt auf der Kalibrierkurve kann das bringen: Den ~0,1µSv/h-Punkt direkt an der ODL-Sonde, den 1µSv/h-Punkt am Messfeld, vllt. 3,5 µSv/h in Dänkritz II. Mehr muss doch eigentlich für eine 'Wetter'dauerbeobachtung auch nicht sein.

Lordcyber · 29. Juli 2020, 00:35

Abend,
Leute ihr seid Böse.
Ich hab an meiner komplett selbstbau Staion jetzt schon:
BMP280 SI7021 TSL2591 VEML6070

Geplant und Teile vor Ort:
Anemometer SDS011 MQ135 Geigerzähler

und jetzt kommt ihr noch und bringt mich auf den:
AS3935.

Bin ich froh das ich die neue Platine mit 5V 2A oder 5V 5A Netzteil geplant habe.
Und das hier schon liegt. 18650 Akkus würden das nicht verkraften.

DL3HRT · 29. Juli 2020, 10:17

Zitatund jetzt kommt ihr noch und bringt mich auf den:
AS3935.

Und er funktioniert sogar

. Man muss ihn allerdings etwas entfernt von Störquellen platzieren.

Ich habe einen kleinen Acurite 02020 Blitzwarner. Der verwendet ebenfalls den AS3935. Die Bestimmung der Entfernung zum Blitz funktioniert recht gut. Wenn ein Gewitter heranzieht kann man beobachten, wie die angezeigte Entfernung immer geringer wird.

Lordcyber · 30. Juli 2020, 00:26

Zitat von: DL3HRT am 29. Juli 2020, 10:17
Zitatund jetzt kommt ihr noch und bringt mich auf den:
AS3935.
Und er funktioniert sogar . Man muss ihn allerdings etwas entfernt von Störquellen platzieren.

Ich habe einen kleinen Acurite 02020 Blitzwarner. Der verwendet ebenfalls den AS3935. Die Bestimmung der Entfernung zum Blitz funktioniert recht gut. Wenn ein Gewitter heranzieht kann man beobachten, wie die angezeigte Entfernung immer geringer wird.

DA hab ich um Glück kein Problem. Da alles an Traversen oder Armen hängt. 3D Druck eben.
Daher entscheide ich selber wo was dran kommt. Und per I2C ist ja kein Problem.

Ich muss jetzt wohl doch noch Bus expander einplanen.