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Das ELV-Wetterboard – Wetterstation maßgeschneidert
Über LoRaWAN® das Wetter überwachen

Das Wetter und damit die Daten von Wetterstationen sind für viele Menschen von großem Interesse. Die gewonnenen Informationen helfen z. B. bei der Planung von beruflichen und privaten Aktivitäten im Freien und ermöglichen darüber hinaus die Erkennung von Gefahren durch extreme Wetterlagen wie Gewitter, Starkwind oder große Regenmengen. Das Erweiterungsmodul Wetterboard nutzt das ELV-Modulsystem für den Aufbau einer modularen LoRaWAN®-Wetterstation, die mithilfe von ELV Applikations- und Powermodulen nach eigenen Wünschen zusammengestellt werden kann. Mit Mechanikteilen wie Anemometer, Windfahne und Regentrichter mit Wippe lässt sich das System erweitern. Zur Verbindung der Mechanik mit der Wetterstation werden dazu 3D-Druck-Dateien kostenlos zur Verfügung gestellt.

Experimente mit LoRaWAN® einfach gemacht
ELV-LW-Base und das ELV-Modulsystem


Systemgedanke Wetterstation

Der schematische Aufbau des Wetterboard-Systems wird in Bild 1 gezeigt. Generell lassen sich die Komponenten in zwei Bereiche gliedern: die Basiseinheit und die externen Sensoreinheiten. Durch den modularen Aufbau können verschiedene Applikations- und Powermodule des ELV-Modulsystems (Bild 2, [1]) wie z. B. Luftdruck, Helligkeit oder Temperatur/Luftfeuchte angeschlossen werden, um den Funktionsumfang der Wetterstation den eigenen Bedürfnissen anzupassen.

Systemkomponenten des ELV-Wetterboards
Verschiedene Module des ELV-Modulsystems können für die ELV Wetterstation genutzt werden.
Bild 1: Systemkomponenten des ELV-Wetterboards
Bild 2: Verschiedene Module des ELV-Modulsystems können für die ELV Wetterstation genutzt werden.

Die Basiseinheit ELV Erweiterungsmodul WB Basis (ELV-EM-WB-B, Bild 3) beinhaltet Steckplätze für das LoRaWAN®-Funk-Basismodul ELV-LW-Base sowie bis zu fünf weitere Module. Eines dieser Module kann z. B. das Powermodul Energy Harvesting (ELV-PM-EH) sein, das in Kombination mit einer Solarzelle [2], [3] und einem Energiespeicher einen autarken Betrieb ermöglicht.

Bei Verwendung des ELV Wetterboards mit dem Energy Harvester ELV-PM-EH und einer Solarzelle sollten hochwertige Akkumulator­zellen (z. B. Panasonic Eneloop) verwendet werden. Im nächsten Steckplatz kann beispielsweise das Applikationsmodul Luftdruck ELV-AM-AP eingesetzt werden. Um die korrekte Messung des Luftdrucks zu gewährleisten, ohne dabei die Wasserdichtigkeit zu gefährden, sollten Druckausgleichsmembrane in das Gehäuse eingesetzt werden [4]. Zusätzliche Mechanikkomponenten (Bild 4, [5]) lassen außerdem die Erkennung der Windstärke und -richtung sowie der Regenmenge zu.

Das Basismodul der ELV Wetterstation: ELV Erweiterungsmodul WB Basis (ELV-EM-WB-B)
Als Mechanikkomponente kann die Homematic IP Ersatzmechanik für Wettersensor SWO mit Windrad, Windfahne, Regentrichter und Wippe genutzt werden.
Bild 3: Das Basismodul der ELV Wetterstation: ELV Erweiterungsmodul WB Basis (ELV-EM-WB-B)
Bild 4: Als Mechanikkomponente kann die Homematic IP Ersatzmechanik für Wettersensor SWO mit Windrad, Windfahne, Regentrichter und Wippe genutzt werden.

Neben den Steckplätzen für die Applikations- und Powermodule befinden sich auf der Basiseinheit noch weitere Komponenten, wie ein Ein- und Ausschalter, Taster für die Konfiguration und das manuelle Versenden eines Uplinks sowie eine Dual-Colour LED für Statusanzeigen. Optional ist auch eine Anschlussmöglichkeit für das neue
ELV Erweiterungsmodul WB Winkelsensor (ELV-EM-WB-AS) (Bild 5) vorhanden, das für die Erkennung der Windrichtung genutzt wird.
Über Kabelanschlüsse können externe Sensoreinheiten zur Erweiterung des Funktionsumfangs über den I²C-Bus angeschlossen werden. Dazu zählen derzeit die Applikationsmodule Temperatur/Luftfeuchte (ELV-AM-TH1), Luxmeter (ELV-AM-LX1) und Luftdruck (ELV-AM-AP). Das neue ELV Erweiterungsmodul WB Sensor (ELV-EM-WB-S) (Bild 6) ermöglicht dabei das komfortable Aufstecken der Module und die passgenaue Montage in einem Gehäuse sowie eine zuverlässige Verbindung über Kabelklemmen.

ELV Erweiterungsmodul WB Winkelsensor (ELV-EM-WB-AS) für die Basis zur Erkennung der Windrichtung
ELV Erweiterungsmodul WB Sensor (ELV-EM-WB-S)
Bild 5: ELV Erweiterungsmodul WB Winkelsensor (ELV-EM-WB-AS) für die Basis zur Erkennung der Windrichtung
Bild 6: ELV Erweiterungsmodul WB Sensor (ELV-EM-WB-S)

Außerdem können zwei Reed-Kontakte (Bild 7) zur Bestimmung der Windstärke und der Regenmenge über eine Impulszählung mit dem Wetterboard verbunden werden.
Zur wetterfesten und mechanisch guten Verbindung der Sensoreinheiten mit dem Erweiterungsmodul WB Basis werden PG-Verschraubungen verwendet (Bild 8, [6, 7]).
Bei der ELV Wetterstation können die Sensoreinheiten abgesetzt zur Basiseinheit betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten flexibel angeordnet werden können. Gleichzeitig kann die Qualität der Messungen erhöht werden, wenn die entsprechenden Sensoren optimal ausgerichtet sind.
Die Flexibilität des Wetterboards wird auch im Bereich Energieversorgung deutlich. Wie eingangs bereits beschrieben, ist die Nutzung von Solarenergie durch das Powermodul Energy Harvesting (ELV-PM-EH) möglich. Als eine weitere Spannungsversorgung kann das Powermodul ELV-PM-BC eingesetzt werden, bei dem wahlweise zwei LR44-Knopfzellen, drei LR03-Batterien über das vorhandene Batteriefach oder eine externe Spannung mit bis zu 5,5 V verwendet werden können. Auch das Powermodul ELV-PM-LR03 eignet sich mit einer Micro-Batterie (AAA/LR03) für das Wetterboard.

Reed-Kontakte aus dem Zubehör können zur Bestimmung der Windstärke und der Regenmenge über eine Impulszählung verwendet werden.
PG-Verschraubung mit passender Gegenmutter PG-Verschraubung mit passender Gegenmutter
Bild 7: Reed-Kontakte aus dem Zubehör können zur Bestimmung der Windstärke und der Regenmenge über eine Impulszählung verwendet werden.
Bild 8: PG-Verschraubung mit passender Gegenmutter

Für die Abdeckung eines weiten Spannungsbereichs kann das ELV-VMonitor1 Powermodul Spannungsüberwachung1 (ELV-PM-VM1) genutzt werden. Es unterstützt einen Eingangsspannungsbereich von 5-24 V und zudem eine Spannungsüberwachung. In Bild 9 ist eine beispielhafte Konfiguration des Wetterboards mit ELV-LW-Base, ELV Applikationsmodul Luftdruck, ELV Powermodul LR03 und ELV Erweiterungsmodul WB Winkelsensor (ohne angeschlossene externe Komponenten) zu sehen.

Beispielkonfiguration des Wetterboards mit ELV-LW-Base, ELV Applikationsmodul Luftdruck, ELV Powermodul LR03 und ELV Erweiterungsmodul WB Winkelsensor
Bild 9: Beispielkonfiguration des Wetterboards mit ELV-LW-Base, ELV Applikationsmodul Luftdruck, ELV Powermodul LR03 und ELV Erweiterungsmodul WB Winkelsensor

Gehäuse

Sowohl die Basiseinheit als auch die angeschlossenen Sensorein­heiten werden von Kunststoffgehäusen geschützt, die die Hardwarekomponenten nach IP67 vor dem Eindringen von Wasser und Staub schützen. Bild 10 zeigt das Gehäuse der Basiseinheit mit den Abmessungen 120 x 120 x 60 mm. Der transparente Deckel ermöglicht dabei den Einsatz einer Solarzelle. Die Gehäuse der externen Sensoreinheiten aus Bild 11 zeichnen sich ebenfalls durch einen transparenten Deckel aus, damit z. B. auch der Helligkeitssensor aus dem Applikationsmodul Luxmeter optimal funktioniert. Für den Einbau der PG-Verschraubungen können Löcher in die Gehäusewände gebohrt werden. Speziell für die Anwendung von Temperatur-Luftfeuchte-Sensoren gibt es eine Schutzhülle (Bild 12), die z. B. für den Temperatur-Luftfeuchte-Sensor ELV-AM-TH1 genutzt werden kann.

Hinweis: Wird das Applikationsmodul ELV-AM-TH1 abgesetzt verwendet, kann der externe Temperaturfühler nicht verwendet werden!

Kunststoffgehäuse der Basiseinheit mit transparentem Deckel
Kunststoffgehäuse für externe Sensoreinheiten
Bild 12: Passende Schutzhülle für den Temperatur-Luftfeuchte-Sensor ELV-AM-TH1
Bild 10: Kunststoffgehäuse der Basiseinheit mit transparentem Deckel
Bild 11: Kunststoffgehäuse für externe Sensoreinheiten
Bild 12: Passende Schutzhülle für den Temperatur-Luftfeuchte-Sensor ELV-AM-TH1

Montage in einem Gehäuse

Um das ELV-Wetterboard im Außenbereich nutzen zu können, muss die Hardware in ein geeignetes Installationsgehäuse eingebaut werden. Zu dem Wetterboard-System gibt es zwei passende IP67-Installationsgehäuse [8] und [9], die die Anwendung auch im Außenbereich erlauben. Das empfohlene Gehäuse aus dem Zubehör verfügt über die Schutzart IP67 und ist somit für Feuchträume und Außenbereich geeignet. Bild 13 zeigt einen typischen Aufbau der ELV-Wetterboard-Basis und Bild 14 einen Aufbau des ELV-Wetterboard-Sensors mit einem abgesetzten Lux-Sensor. Beide Aufbauten befinden sich in den jeweilig passenden Installationsgehäusen und werden mit vier Kunststoffschrauben 3 x 5 mm im Gehäuseunterteil befestigt.

Die Basis des ELV-Wetterboards im vorgesehenen Installationsgehäuse
Ein abgesetzter I²C-Sensor des ELV-Wetterboards im vorgesehenen Installationsgehäuse
Bild 13: Die Basis des ELV-Wetterboards im vorgesehenen Installationsgehäuse
Bild 14: Ein abgesetzter I²C-Sensor des ELV-Wetterboards im vorgesehenen Installationsgehäuse

Die Durchführung der Kabel ins Gehäuse geschieht mithilfe einer 12-mm-Kabelverschraubung (Bild 8), die in die untere Gehäusewand eingebracht wird. So entsteht ein wasserdichter Abschluss. Für die Erstellung der 12-mm-Bohrung empfiehlt sich die Verwendung eines Stufenbohrers (Bild 15).

Achtung!
Bei dem Gehäuse der ELV-Wetterboard-Basis sollte sich die 12-mm-Bohrung unbedingt in einer Höhe von 20 mm vom Boden aus befinden, damit es keine Probleme mit der eingesetzten Platine gibt. Um das ganze Handling mit dem Anzeichnen zu vereinfachen, wird hier im Downloads-Bereich eine Bohrschablone zum Download angeboten.

Wird das Gehäuse im Außeneinsatz montiert und ist zudem direktem Regenwasser ausgesetzt, empfiehlt sich ein Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinneren und der Umgebung. Hierfür gibt es im Handel sogenannte Druckausgleichelemente mit Schraubverschluss. Es können aber auch kostengünstige Druckausgleichmembrane verwendet werden. Warum man einen Druckausgleich ermöglichen sollte, demonstriert der bekannte Gehäusehersteller Bopla sehr gut in einem YouTube-Video Druckausgleichselement.

Kurze Erklärung: Ist das Gehäuse direkt dem Regenwasser ausgesetzt, setzen sich zwangsläufig Wassertropfen auf dem Gehäuse ab. Da der Luftdruck zwischen dem Gehäuseinneren und der Umgebung unterschiedlich sein kann, könnte im Gehäuseinneren ein Unterdruck entstehen. Hierdurch würde Wasser in das Gehäuse hineingezogen. In diesem Fall hilft auch keine Gummidichtung mehr, sodass man um  einen Druckausgleich nicht herumkommt. Das Besondere an diesen Druckausgleichelementen ist, dass sie aus einem wasserundurchlässigem Gewebe bestehen, wie man es von Outdoorjacken kennt. Nur Wasser bzw. Wassertropfen werden von außen abgewiesen − die Luft und auch normale Luftfeuchtigkeit können zirkulieren. Bild 16 zeigt solch eine Membran, die sehr einfach zu montieren ist. Möchte man so eine Membran in das Gehäuse montieren, ist auf der (wichtig!) Gehäuseunterseite ein kleines Loch (ca. 2–3 mm) zu bohren. Im Gehäuseinneren wird die selbstklebende Membran angebracht, wie in Bild 17 zu sehen ist.

Stufenbohrer für die 12-mm-Bohrung
Druckausgleichmembran aus speziellem wasserundurchlässigem Gewebe
So wird eine Druckausgleichmembran montiert.
Bild 15: Stufenbohrer für die 12-mm-Bohrung
Bild 16: Druckausgleichmembran aus speziellem wasserundurchlässigem Gewebe
Bild 17: So wird eine Druckausgleichmembran montiert.


Verbindung der Mechanikteile mit der Wetterstation

Zur Nutzung der Homematic IP Ersatzmechanik für den Wettersensor SWO mit Windrad, Windfahne, Regentrichter und Wippe in Verbindung mit dem ELV Wetterboard werden kostenlos herunterladbare 3D-Druckdateien auf der Artikelseite des ELV Erweiterungsmoduls WB Basis [Downloads] zur Verfügung gestellt. Zusätzlich benötigt man weitere Mechanikteile wie die Anemometerachse mit zwei Kugellagernund die Windfahnenachse mit zwei Kugellagern und aufgestecktem Magneten, wenn man diese Mechanikteile zum Einsatz bringen möchte.


3D-Druck – Material

Für den Außeneinsatz gilt es zunächst zu überlegen, welches Filament man verwenden möchte bzw. kann und wie die örtlichen Gegebenheiten sind. Nicht jedes Filament ist z. B. UV-beständig und kann Temperaturschwankungen gleich gut verarbeiten. Zudem sollte das 3D-Druck-Filament nur wenig hygroskopisch oder besser hydrophob (Feuchtigkeit abstoßend) sein, damit es kein Wasser aus der Umgebungsluft aufnimmt, was zur schnelleren Materialalterung beitragen kann. Außerdem ist die Wahl des Filaments auch vom verwendeten 3D-Drucker abhängig, denn nicht jedes Material lässt sich auf jedem Drucker gleich gut verarbeiten. Besonders geeignet sind ASA und ABS.

ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat) ist ein amorpher Thermoplast, der UV-beständig ist und eine gute Hitzeform-Beständigkeit aufweist. Es empfiehlt sich aber ein beheiztes Druckbett und ein geschlossener Bauraum, da das Material zum Warping neigt. Der Nachteil bei ASA ist die starke Geruchsemission – man sollte auf ausreichende Lüftung achten! Da das Material styrolhaltig ist, können giftige Abgase beim Erhitzen entstehen.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) ist ein thermoplastisches Polymer, das dem ASA stark ähnelt. Hier ist die Verarbeitung nicht ganz so kritisch, es entsteht unter Umständen aber auch eine (starke) Geruchs­emission – auf ausreichende Lüftung sollte also auch hier geachtet werden. ABS neigt zum Verzug (Warping) und Schrumpfen, auch hier ist ein geschlossener Bauraum des 3D-Druckers empfehlenswert.

Für erste Tests kann aber auch Filament wie PETG verwendet werden. PETG ist hydrophob und damit zumindest gegenüber Feuchtigkeit etwas unempfindlicher. Auch der 3D-Druck ist einfacher, da nur geringes Warping auftritt und kein geschlossener Bauraum benötigt wird.


3D-Druck – Parameter für den Druck

Je nach 3D-Drucker hat man sich über die Zeit Parameter für das verwendete Material erarbeitet. Generell empfiehlt es sich, bei den hier verwendeten 3D-Modellen mit einer Schichtdicke von unter 0,2 mm zu drucken. Das Infill ist recht unkritisch und wir haben mit 20 % gute Erfahrungen gemacht. Je nach Druckmodell empfiehlt sich die Nutzung von Stützstrukturen und besonders bei der Abdeckung für den Regentrichter sollte man einen Brim verwenden. Dieser trägt hauptsächlich dazu bei, die Haftung des 3D Druck-Teils auf dem Untergrund zu verbessern. Es ist sehr nützlich bei Modellen, die zum Verziehen neigen oder nur sehr wenig Kontaktfläche zum Untergrund haben, wie dies bei der Abdeckung für den Regentrichter der Fall ist. In Bild 18 sieht man die Stützstrukturen und den Brim (Krempe) bei der Abdeckung für den Regentrichter.

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Bild 18: Brim und Stützstrukturen bei der Abdeckung für den Regentrichter



Montage der Windfahne

Für die Windfahne wird ein Haltebügel (Bild 19) benötigt. Aufgrund der frei schwebenden Enden muss hier beim 3D-Druck mit einer Stützstruktur gearbeitet werden. Zunächst wird die Achse für die Windfahne in den Haltebügel von oben eingeführt (Bild 20). Nach unten hin wird der Abstand mit einem kleinen doppelt zusammengelegten Stück Papier erzeugt (Bild 21), damit die Achse später nicht direkt auf dem Gehäuse aufliegt und sich frei drehen kann (Bild 22).

Der Haltebügel für die Windfahne in der Slicer-Ansicht
Einführen der Achse in den Haltebügel für die Windfahne
Bild 21: Ein gefaltetes Papier wird als Abstandshalter genutzt ...
... sodass sich später die Achse frei drehen kann.
Bild 19: Der Haltebügel für die Windfahne in der Slicer-Ansicht
Bild 20: Einführen der Achse in den Haltebügel für die Windfahne
Bild 21: Ein gefaltetes Papier wird als Abstandshalter genutzt ...
Bild 22: ... sodass sich später die Achse frei drehen kann.

Nun klebt man die Achse von oben mit einem Tropfen Sekundenkleber an den Haltebügel (Bild 23), während Haltebügel und Achse auf dem Gehäuse aufliegen. So bleibt der Abstand im Klebevorgang gewährleistet. Danach kann das Stück Papier entfernt und der Haltebügel am Gehäuse fixiert werden (Bild 24). Für die Befestigung des Bügels können M4-Schrauben, Muttern und Fächerscheiben genutzt werden. Diese Montagematerialien liegen dem Bausatz nicht bei.
Anschließend kann die Windfahne aufgesteckt und mit den zwei Madenschrauben fixiert werden (Bild 25). Zur Verwendung der Windfahne wird das ELV Erweiterungsmodul WB Winkelsensor (ELV-EM-WB-AS) benötigt, das direkt auf das Wetterboard aufgesteckt wird.

Fixieren der Achse mit Sekundenkleber
Festschrauben des Haltebügels am Gehäuse
Fixieren der Windfahne mit den zwei Madenschrauben auf der Achse
Bild 23: Fixieren der Achse mit Sekundenkleber
Bild 24: Festschrauben des Haltebügels am Gehäuse
Bild 25: Fixieren der Windfahne mit den zwei Madenschrauben auf der Achse



Montage des Anemometers

Für die Verwendung des Anemometers wird zunächst das 3D-Druckteil benötigt, in das die entsprechende Achse eingeschoben und mit Sekundenkleber fixiert wird. Hier ist kein Abstandshalter notwendig, da das 3D-Modell konstruktiv den Abstand erzeugt. Bei der Fixierung (Bild 26) sollte auf eine sparsame und vorsichtige Verwendung des Klebers geachtet werden, damit kein Klebstoff in das Kugellager gelangt. Nun wird der Reed-Kontakt mit dem Kabel von oben in das 3D-Modell seitlich neben der Achse eingeführt (Bild 27). 

Schließlich kann die Mechanik des Anemometers durch das Arretieren der Madenschraube auf der Achse montiert werden (Bild 28). Die Löcher am Boden des 3D-Drucks können zum Fixieren der Anemometer-Konstruktion verwendet werden. Das Kabel wird später direkt am ELV-Wetterboard an den Anschlüssen Wind und GND verbunden.

 

Einkleben der Achse für das Anemometer
Einführen des Reed-Kontakts parallel zur Achse des Anemometers
Befestigen der Anemometer-Mechanik auf der Achse
Bild 26: Einkleben der Achse für das Anemometer
Bild 27: Einführen des Reed-Kontakts parallel zur Achse des Anemometers
Bild 28: Befestigen der Anemometer-Mechanik auf der Achse



Montage des Regentrichters mit Wippe

Für den Regentrichter werden drei 3D-Druck-Modelle verwendet. Zunächst legt man die Regenwippe in das entsprechende 3D-Modell (Wippenhalter) ein. Dabei können die Halter vorsichtig auseinandergebogen werden, damit die Wippe hineingleiten kann (Bild 29). Der Magnet der Wippe zeigt hier nach rechts, da dort später der Reed Kontakt montiert wird. In Bild 30 ist die Lage des Magneten der Wippe im Wippenhalter genauer zu erkennen. Dann wird die Wasserführung von oben aufgesteckt. Anschließend wird der Reed-Kontakt von oben eingeführt (Bild 31). Die Einstecktiefe wird kon­struktiv durch eine Nase am 3D-Druck vorgegeben. Nun wird die Kombination aus Wippenhalter und Wasserführung auf die unteren vier Laschen der Abdeckung des Regentrichters gesteckt (Bild 32).

Montage der Wippe im Wippenhalter
Aufsetzen der Wasserführung (schwarzes 3D-Druckteil) auf den Wippenhalter. Die „gezoomte“ Ansicht zeigt die Kunststoffnase als Endanschlag des Reed-Kontakts.
Einsetzen des Reed-Kontakts
Einsetzen des Wippenhalters in die Abdeckung
Bild 29: Montage der Wippe im Wippenhalter
Bild 30: Aufsetzen der Wasserführung (schwarzes 3D-Druckteil) auf den Wippenhalter. Die „gezoomte“ Ansicht zeigt die Kunststoffnase als Endanschlag des Reed-Kontakts.

Bild 31: Einsetzen des Reed-Kontakts

Bild 32: Einsetzen des Wippenhalters in die Abdeckung


Der Wippenhalter dient gleichzeitig als Befestigungsmöglichkeit. Zur Fixierung können die beiden äußeren Verschraubungsmöglichkeiten genutzt werden, da die beiden inneren nur zugänglich sind, wenn die Wippe demontiert ist. Am Ende steckt man die Mechanik des Regentrichters auf (Bild 33). Das Kabel kann man durch eins der beiden kleinen
Löcher am unteren Rand der Abdeckung hinausführen, es wird am ELV-Wetterboard an Rain und GND verbunden. Die großen Löcher dienen zum Ablaufen des Wassers.


Aufsetzen des Regentrichters auf die Konstruktion

Bild 33: Aufsetzen des Regentrichters auf die Konstruktion




Flashen der Firmware

Für den Betrieb der ELV-Wetterboard-Base muss die verwendete ELV-LW-Base mit der entsprechenden Firmware programmiert werden. Die Firmware ist hier – im Downloadbereich der ELV-Wetterboards-Basis – erhältlich. Mit dem ELV-Flasher-Tool, das hier heruntergeladen werden kann, muss nun die Firmware auf die ELV-LW-Base aufgespielt werden. Dabei sollte an der ELV-LW-Base kein weiteres Modul angeschlossen sein. Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für den Flash­vorgang findet man in der Downloaddatei des ELV-Flasher-Tools. Nach dem erfolgreichen Flashen der Firmware wird die USB-Spannungszufuhr von der ELV-LW-Base getrennt und wieder neu eingesteckt, um die neue Firmware zu aktivieren. Das Modul nimmt danach den Betrieb mit der geänderten Firmware auf.


Anmeldung bei The Things Network (TTN)


Die Anmeldung des ELV-Wetterboards in eine Netzwerkinfrastruktur, beispielsweise bei The Things Network (TTN), läuft analog zur ELV-LW-Base, die wir im ELVjournal 4/2021 an einem Beispiel ausführlich beschrieben haben. Der Fachbeitrag steht kostenlos im Downloadbereich der ELV-LW-Base zur Verfügung.



Auswerten der Payload/Einstellungen

Um nach der Anmeldung die Messdaten korrekt anzeigen zu können, ist der Payload-Parser-Code entsprechend anzupassen. Den benötigten Code stellen wir ebenfalls im Downloadbereich der ELV-LW-Base zur Verfügung. Wie der Payload-Parser-Code für die Netzwerkinfrastruktur bei The Things Network (TTN) eingebunden wird, ist ebenfalls in dem Fachbeitrag zur ELV-LW-Base unter beschrieben.


Uplink

Die bei jedem Messintervall vom ELV-Wetterboard gemessenen Umweltdaten werden mit dem Uplink in das LoRaWAN®-Netzwerk übertragen. Da das ELV-Wetterboard vom Konzept her ein modulares System ist, bei dem die genutzten Sensoren frei gewählt werden können, ist auch der Payload-Inhalt im Uplink abhängig von den verwendeten Sensoren. Der gesendete Payload ist also kein festes Datenkonstrukt, sondern umfasst nur die Daten der Sensoren, die vom ELV-Wetterboard beim Einschalten erkannt oder bei den Impulssensoren als aktiv konfiguriert worden sind. Einzig der ELV-Header (Tabelle 1), in dem der TX-Reason und die Betriebsspannung enthalten ist, wird immer vorausgesendet, gefolgt von den Sensordaten (Tabelle 2 bis 8). Die mit dem Payload-Parser decodierten Daten sind an einem Beispiel in Bild 34 zu sehen.

ELV Header
Sensordaten Tabelle 2
Sensordaten Tabelle 3
Sensordaten Tabelle 4
Sensordaten Tabelle 5
Sensordaten Tabelle 6
Sensordaten Tabelle 7
Sensordaten Tabelle 8
Ausgabe der decodierten ELV-Wetterboard-Daten im TTN
Bild 34: Ausgabe der decodierten ELV-Wetterboard-Daten im TTN


Downlink

Für den Betrieb des ELV-Wetterboards sind ein paar Parameter nötig, mit denen das Mess- und Sensorverhalten bestimmt wird. Diese Parameter sind konfigurierbar, wie z. B. das Messintervall. Die Konfigurationsparameter werden über den Downlink des genutzten LoRaWAN®-Netzwerks zum ELV-Wetterboard gesendet. Um die Konfigurationsparameter des ELV-Wetterboards per Downlink zum ELV-Applikationsmodul zu übertragen, werden im Bereich Applications bei TTN unter End-Device → Messaging → Downlink im Feld FPort der Wert 1 und der zu sendende Payload eingetragen.
Die zu sendenden Daten (Payload) werden anhand der in den Tabellen 9 bis 12 angegebenen Information zusammengestellt. Durch die vorangestellte Parameter ID erkennt das ELV-Wetterboard den zu ändernden Parameter. Dadurch können auch einzelne Parameter gezielt konfiguriert werden, es müssen also nicht immer alle Konfigurationsparameter angegeben werden.


Sensordaten Tabelle 9
Sensordaten Tabelle 10
Sensordaten Tabelle 11
Sensordaten Tabelle 12


Die Downlink-Payload für eine komplette Konfiguration aller Parameter mit den Default-Werten sieht dann wie folgt aus:

Downlink-Payload

In Bild 35 ist ein Beispiel für eine Parametrisierung des ELV-Wetterboards über einen Downlink im TTN zu sehen:

Beispiel für eine Konfigurationsveränderung des ELV-Wetterboards im Downlinkbereich von TTN
Bild 35: Beispiel für eine Konfigurationsveränderung des ELV-Wetterboards im Downlinkbereich von TTN


Weitere Bedienung über die Tasten

Bei der Verwendung der ELV-Applikationsmodule mit I²C-Sensoren aus dem ELV-Modulsystem oder bei dem für das ELV-Wetterboard entwickelten GMR-Winkelsensors ELV-EM-WB-AS ist es durch die digitalen Kommunikationsschnittstellen der Sensoren möglich zu erkennen, ob diese an dem ELV-Wetterboard angeschlossen sind. Dadurch wird auch der Inhalt des Payload-Uplinks entsprechend angepasst. Bei den beiden Impulssensoren, also dem Anemometer und dem Regenmengensensor, ist diese Erkennung nicht möglich, da hier nur die Flanken der entsprechenden Pins am Mikrocontroller detektiert werden. Damit nun aber nicht unnötige Daten im Payload-Uplink enthalten sind, können diese beiden Sensoren manuell über die Tasten S1 und S3 aktiviert oder deaktiviert werden. Im Werkszustand sind diese Sensoren deaktiviert.

Über einen langen Tastendruck (> 2 Sekunden) der Taste S1 wird das Anemometer aktiviert. Dieser aktivierte Zustand wird dann auch im Mikrocontroller permanent gespeichert, bis ein erneuter langer Tastendruck der Taste S1 diesen Aktivitätszustand wieder deaktiviert. Analog zum Anemometer erfolgt die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Regenmengensensors mit einem langen Tastendruck der Taste S3. Das Aktivieren und Deaktivieren des Zustands wird mit einem zweimaligen Blinken der Duo-Color-LED DS1 quittiert. Beim Aktivieren blinkt es zweimal grün, beim Deaktivieren blinkt es zweimal rot.

Für den Betrieb der Windfahne in Verbindung mit der Winkelsensorplatine ist es notwendig die Nordausrichtung der Windfahne zu kalibrieren. Hierzu muss zunächst die Windfahne manuell in die Nordausrichtung gebracht und gehalten werden, anschließend wird der Kalibriervorgang gestartet.
Es gibt zwei Möglichkeiten die Kalibrierung zu starten. Die erste Möglichkeit ist ein langer und gleichzeitiger Tastendruck der Tasten S1 und S3. Nach 2 Sekunden wird der Kalibriervorgang gestartet, was durch ein dreimaliges grünes Blinken der Duo Color-LED DS1 quittiert wird.

Bei der zweiten Möglichkeit wird ein Downlink-Befehl zum ELV-Wetterboard gesendet, bei dem der Windrichtungsparameter (Tabelle 10) mit dem Wert 0x01 beschrieben wird. Wenn die für das ELV-Wetterboard genutzte ELV-LW-Base in dem vorgesehenen Gehäuse eingebaut wird, ist die auf der ELV-LW-Base seitlich befindliche User-Taste nur noch schwer zugänglich. Aus diesem Grund sind die Funktionen der User-Taste auch über die Taste S2 zugänglich.

Videos zum Wetterboard von Alex Egger (AEQ-WEB)

Die ELV Wetterstation ist in Zusammenarbeit mit dem YouTuber Alex Egger entstanden, der seit mehr als sieben Jahren den YouTube-Kanal AEQ-WEB mit mittlerweile über 16000 Abonnenten und dem zugehörigen Blog www.aeq-web.com betreibt. Auf seinem Kanal findet man sehr viele spannende, zum Teil auch tiefgründige Projekte und Informationen zu LoRaWAN®. Mit Wetterstationen hat sich Alex Egger ebenfalls seit vielen Jahren beschäftigt, daher konnte er viele Erfahrungen im gemeinsamen Entwicklungsprozess der ELV Wetterstation beisteuern. Auf seinem YouTube-Kanal wird er die ELV Wetterstation ausführlich vorstellen und Details zur Installation, der zugrundeliegenden Technik und den Betrieb geben.

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Alle Infos im ELVjournal-Fachbeitrag:
ELV Wetterboard 253601
Wetterstation maßgeschneidert - ELV-EM-WB
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