Projekt 84: Wetterstation

Autoren: Anna Blankenstein, Timo Schmidt
Betreuer: Prof. Schneider

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Thema

Entwicklung einer modernen, mobilen Wetterstation auf Basis eines Microcontrollers.
Die Wetterstation misst Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Außen- und Innentemperatur und zeigt diese Werte auf einem LC-Display alternierend an. Zusätzlich wird die aktuelle Uhrzeit ausgegeben.
Die Daten werden auf einem Server gespeichert und können somit von dem Benutzer am PC ausgelesen werden.
Ein weiterer Punkt des Projektes ist die Entwicklung eines Gehäuses für die Wetterstation.

Erwartungen an die Projektlösung

• Planung der Wetterstation bestehend aus Außen- und Innenstation
• Drahtlose Kommunikation der Außensensoren und Wetterstation
• Außensensoren: Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck
• Die Außenstation ist wetterfest
• Innensensoren: Temperatur, Feuchtigkeit
• Beschaffung der Bauteile (Miniaturisierung mit ESP8266)
• Realisierung des Aufbaus
• Messdatenaufzeichnung
• Wetterprognose anhand der Sensordaten
• Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Kür: Zugriff auf die Wetterdaten via Web-Seite

Aufgabe

Einteilung der Aufgaben in die drei Fachbereiche der Mechatronik:

Elektrotechnik:
• Entwicklung des Schaltplans für die Wetterstation
• Erstellen eines Platinen Layouts
• Bestückung der Platine
• Funktionstest

Mechanik:
• Entwurf eines Gehäuses, Erstellen eines 3D Modells
• Prototypenbau
• Fertigung des finalen Gehäuses
• Zusammenbau der einzelnen Komponenten

Informatik:
• Auswertung der Sensordaten
• Kommunikation zwischen Wetterstation und Außensensor herstellen
• Anzeigen der Daten auf dem LC-Display

Hardware-Komponenten

BME280

Der BME280 ist ein integrierter Umgebungssensor. Er ist speziell für mobile Anwendungen entwickelt worden, wobei die Größe und der geringe Stromverbrauch eine entscheidende Rolle bei den Konstruktionsanforderungen spielen. Das Gerät enthält genaue Sensoren für Druck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Der Luftdruck lässt sich in einem Bereich von 300 bis 1.100 hPa messen. Die absolute Genauigkeit beträgt hier etwa +- 1 hPa. Die Luftfeuchtigkeit kann in einem maximalen Bereich von 0 bis 100 %RH gemessen werden, wobei eine Genauigkeit von +- 3 %RH vorliegt. Die Temperatur lässt sich mit einer Genauigkeit von +- 1 °C im Temperaturbereich von 0 bis 65 °C messen.

DHT11

Der DHT11 ist ein digitaler Temperatur- und Luftfeuchtesensor. Er besitzt eine Auflösung von 16 Bit und misst die relative Luftfeuchtigkeit mit einer Genauigkeit von +- 5 %RH im Bereich von 20 – 90 %RH. Die Temperatur wird ebenfalls mit 16 Bit aufgelöst und kann mit einer Genauigkeit von +- 2 % angegeben werden. Der Temperaturbereich liegt bei 0 bis 50 °C.

Verwendete Schaltungen

Spannungsversorgung

Alle verwendeten Sensoren werden mit einer Spannung von 3,3 V betrieben, das LC-Display benötigt eine Spannung von 5 V. Da wir für die Spannungsversorgung der Innenstation ein 5 V Netzteil und für die Außenstation eine 9 V Block-Batterie verwenden, ist es notwendig die Spannungen jeweils auf 3,3 V zu reduzieren. Aus diesem Grund setzen wir je einen LF 33 CV Festspannungsregler für die Außen- und Innenstation ein. Dieser reguliert bei Eingangsspannungen, bis maximal 16 V, auf eine stabile Ausgangsspannung von 3,3 V. Dafür ist eine externe Beschaltung erforderlich, die in der Abbildung xx zu sehen ist.

Messschaltungen

Der WemosD1 nimmt die Messwerte der Sensoren auf. Dafür müssen diese entsprechend angeschlossen werden. Der BME280 für die Außenstation besitzt vier Anschlüsse. Zwei werden für die Spannungsversorgung benötigt (VIn und GND). Die anderen zwei Anschlüsse (SDA und SCL) dienen der Datenübertragung an den WemosD1. Diese sind verbunden mit den Pins D1 und D2. Die Kommunikation erfolgt über den I2C-Bus.
Der DHT11 für die Innenstation besitzt ebenfalls 4 Anschlüsse, wobei nur drei tatsächlich angeschlossen werden. Zwei der drei Pins sind zur Spannungsversorgung erforderlich (VDD und GND). Der dritte Pin (DATA) wird mit einem seriellen Pin (D4) des WemosD1 verbunden. Da der DHT11 eine Low-aktive Kommunikation betreibt, wird ein Pull-up Widerstand zwischen der Versorgungsspannung und der Datenleitung benötigt, um den Pin auf ein definierten High-Pegel zu legen, wenn keine Kommunikation stattfindet. Die Kommunikation erfolgt über einen single-bus mit 40 Transfer-Bits (2x8 Bit für die Luftfeuchte, 2x8 Bit für die Temperatur und 1x8 Paritätsbits).

Weblinks

Link zur Messdaten-Visualisierung: https://thingspeak.com/channels/604529

Literatur

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