Umbau der Wetterstation WS1080
Nun, hier wird nicht der eigentliche Neuaufbau der Wetterstation WS1080 beschrieben, sondern eigentlich nur die Verwendung des noch vorhandenen Aneometers für die Windstärke, des Kipplöffels für die Regenmessung und der Reed-Schalter für die Windrichtungsermittlung zur Datenermittlung und Weiterverarbeitung mit einem Raspberry Pi aufgezeigt.
Auf der Basis der technischen Beschreibungen des Herstellers/Händlers
wurden zunächst noch erforderliche Komponenten beschafft und zusammengefügt.
Dies sind für die Ermittlung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck ein Sensor vom Typ BME280, |  | für weitere Temperatur und Luftfeuchtigkeit ein Sensor vom Typ DHT22, |  |
die nächste Temperatur ein DS18B20 (wetterfest, der wird in den Boden eingelassen). |  | Licht wird mit einem LDR gemessen, dessen Werte werden wie die Signale des DS18B20 gemeinsam mit einem Chip |  |
 | MCP3008 an den Raspberry zur Verarbeitung übertragen. | Da die Sensoren der Original WS1080 mit RJ11-Kabeln an die Station übertragen wurden, habe ich noch entsprechende Buchsen für die Platine besorgt. |  |
All diese Komponenten sollen nun zu einer Wetterstation zusammengefasst werden.
Der Kipplöffel
Wie funktioniert es? Du kannst den Regenmesser und seine Funktionsweise untersuchen, indem Du den Enlauftrichter entfernst. Drück die Clips auf beiden Seiten vorsichtig zusammen. Der Deckel sollte dann abspringen. Dieser Regenmesser ist im Grunde ein selbstentleerender Kippbehälter. Regen wird gesammelt und in den Kipplöffel geleitet. Sobald genügend Regenwasser gesammelt wurde, kippt der Löddel um, das Wasser läuft aus dem Boden ab und der gegenüberliegende Löffel kommt in Position. Das Produktdatenblatt sagt uns, dass 0,2794 mm Regen den Löffel kippen werden. Du kannst dies mit der Anzahl der Tipps multiplizieren, um die Niederschlagsmenge zu berechnen. Normalerweise sind diese Messgeräte mit einem RJ11-Stecker ausgestattet, obwohl sie nur zwei Drähte verwenden: einen roten und einen grünen. Im Grat zwischen den beiden Eimern sollte sich ein kleiner zylindrischer Magnet befinden, der zur Rückwand zeigt. In der Rückwand befindet sich ein Reed-Schalter. Die Oberseite der Rückwand löst sich, wenn man Details sehen möchten. Ziehe einfach vorsichtig am flachen Ende und es sollte sich lösen. Im Inneren befindet sich eine kleine Leiterplatte, die Du zur Untersuchung entfernen kannst. In der Mitte siehst Du dann den Reed-Schalter. Bringe die Leiterplatte und den Rückwanddeckel wieder an, bevor Du fortfährst. Wenn einer der Kipplöffel kippt, passiert der Magnet den Reed-Schalter und schließt ihn kurz. Wenn Du also genau wie beim Windmesser den Regenmesser an einen GPIO-Pin am Raspberry Pi anschließt, kannst Du ihn wie einen Schalter behandeln und die Anzahl der „Schaltungen“ zählen, um den Niederschlag zu berechnen. | |
Die Windrichtung
| WindfahnenWindfahnen zeigen die Richtung an, aus der der Wind kommt, nicht wohin er geht. Dies kann am Anfang etwas verwirrend sein, da die Pfeile auf den meisten TV-Wetterkarten das Gegenteil zeigen. Eine Windfahne funktioniert, weil der Wind eine Kraft auf das vertikale Blatt ausübt, das sich dreht, um die Position mit dem geringsten Windwiderstand zu ermitteln. Diese Position ist auf die Richtung des entgegenkommenden Windes ausgerichtet Wie funktioniert diese Windfahne?Wie der Regenmesser oder der Windmesser verfügt auch die hier verwendete Windfahne über Reedschalter und einen rotierenden Magneten. Sie ist jedoch komplexer und funktioniert ganz anders. Es gibt auch acht Widerstände in der Windfahne, und wenn sich der Magnet dreht, öffnen und schließen sich verschiedene Reedschalter und schalten so ihren entsprechenden Widerstand in den Stromkreis hinein und aus diesem heraus. Die Aufgabe der Widerstände ist es dem Stromfluss zu widerstehen / ihn reduzieren, ohne ihn zu stoppen. Widerstände können unterschiedliche Widerstandswerte haben, die in Ohm Ω angegeben sind. diejenigen mit niedrigem Widerstand lassen fast den gesamten Strom durch, während diejenigen mit hohem Widerstand nur sehr wenig Strom durchlassen. Die gebräuchlichsten Anwendungen für Widerstände sind der Schutz von Bauteilen vor Beschädigung durch zu hohe Ströme oder die Aufteilung der Spannung auf verschiedene Teile eines Stromkreises. Jeder der acht Widerstände hat einen anderen Wert, den Du in Weiß daneben sehen solltest (z. B. siehst Du rechts 8,2 KB). Dies ermöglicht der Windfahne 16 mögliche Widerstandskombinationen, da der Magnet zwei benachbarte Reed-Schalter schließen kann, wenn er sich auf halber Strecke zwischen ihnen befindet. Widerstand messenUm die Windrichtung von der Schaufel abzulesen, mußt Du in der Lage sein, den vom Sensor erzeugten Widerstand zu messen und in einen Winkelwert umzuwandeln. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte. Anstatt den Widerstandswert direkt zu messen, ist es tatsächlich viel einfacher, eine Spannung von der Windfahne aufzuzeichnen, die sich danach ändert, welche Kombination von Widerständen gerade in den Stromkreis geschaltet wird. Dies bedeutet, dass Du einen analogen Wert misst: Die Windfahne meldet kontinuierlich einen Spannungsbereich. Im Gegensatz dazu meldet das Anemometer einfach eine „HIGH“ - oder „LOW“ -Spannung - alles oder nichts, was bedeutet, dass es ein digitales Signal sendet. |
Die Windgeschwindigkeit
An zwei Punkten der Magnetdrehung kommen Reed-Schalter zum Einsatz . Im Reed-Schalter befinden sich zwei Metallkontakte, die sich unter dem Einfluss eines Magneten berühren. Daher funktioniert dieser Schalter elektronisch genauso wie ein Schalter, der mit dem Raspberry Pi verbunden ist: Wenn sich das Anemometer dreht, passiert sein Magnet den Reed-Schalter, wodurch sich für einen Moment ein geschlossener Stromkreis bildet. Daher kannst Du anhand der Anzahl der Signale vom Reed-Schalter berechnen, wie schnell sich das Anemometer dreht. Immer wenn der Reed-Schalter ausgelöst wird, erzeugt er ein Signal, welches Du über einen GPIO-Pin einlesen kannst. Für jede volle Umdrehung des Windmessers erzeugt der Sensor zwei erkennbare Signale. Durch Zählen und Timing dieser Signale kannst Du die Windgeschwindigkeit berechnen.
Windböen
Wetterberichte und -vorhersagen geben normalerweise die Windgeschwindigkeit zusammen mit Windböeninformationen an. Eine Windböe ist eine kurze Erhöhung der Windgeschwindigkeit, die auftreten kann, wenn der Wind weht. Böen machen sich mit zunehmender Windgeschwindigkeit stärker bemerkbar. Dies liegt daran, dass die vom Wind ausgeübte Kraft mit zunehmender Windgeschwindigkeit schnell zunimmt. Böen treten normalerweise auf, weil sich die Luft nicht mit konstanter Geschwindigkeit über den Boden bewegen kann. Hindernisse wie Vegetation, Gebäude und Höhenunterschiede verursachen Oberflächenreibung, die den Wind an einigen Stellen stärker verlangsamt als an anderen. Luft, die näher am Boden liegt, leidet stärker unter diesem Phänomen als Luft, die höher liegt. Dies erzeugt eine turbulentere Windströmung entlang des Bodens, die zu Böen führt. Ein typischer Windstoß dauert weniger als 20 Sekunden.
Aber auch Windböen sollten berücksichtigt werden. Das schauen wir uns aber bei der Programmierung der Wetterstation hoch genauer an.
Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit
Die Wetterstation soll Temperaturen von verschiedenen Sensoren erfassen und auswerten. In das alte Gehäuse, welches den Sender und die Stromversorgung beherbergte, werden nun die Sensoren vom Typ BME280 und DHT11 untergebracht, sie liefern die Daten für die Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit in ca. 2,5 m Höhe. Ein Sensor vom Typ DS18B20 (wasserdicht) ist im Boden eingelassen und soll die aktuelle Bodentemperatur messen. Neben diesen Sensoren habe ich in dem "ausrangierten" Gehäuse noch weitere LDR für die Erfassung von Hell-/Dunkel eingebaut, sie sollen also Sonnenauf- und Untergang erfassen und speichern. Gleichzeitig werden sie aber auch zur Steuerung von Relais für verschiedene Beleuchtungsaufgaben eingesetzt, unter anderem auch für eine Flackerkerze (LED) in einer Laterne einer Schlafwandlerfigur. Zu guter Letzt wird aber auch noch eine auf einem Raspberry Pi basierende Pan-Tilt- Kamera regelmäßig den Himmel über der Wetterstation betrachten und die Fotos regelmäßig ins Netz stellen..
Vorgehensweise
Schritt 1 war natürlich der Abbau und das Zerlegen der "alten" Wetterstation" in ihre Bestandteile. Dann Reinigung und Überprüfung der Einzelteile für den Einsatz mit der neuen Steuerung, also einem Raspberry Pi. Nach jahrelangem Einsatz dürfte sich das einiges an Schmutz angesammelt haben.
So sahen die Komponenten vor dem Abbau aus:
Damit müsste es mit der Technik endlich losgehen.
Der Raspberry Pi wurde in einem eigenen, wasserdichten Gehäuse (Lüftung nach unten gerichtet, Stromzuführung und Sensorverkabelung ebenfalls, Kamera seitlich) am unteren Maststück befestigt (ausschlaggebend war die Länge der RJ45-Kabel der Sensoren). Der Stromversorgungsstatus wird durch eine von außen deutlich sichtbare Status-LED (blau) angezeigt. Zusätzlich übermittelt der Raspberry die Daten über ein NAS-Laufwerk an die Wetterdatenbank.
