WeatherStation

Wetterstation im Garten

Erstellt: 2020 - 2024

Erste Station mit zahlreichen Sensoren

Unsere selbstgebaute Wetterstation im Garten. Mit Temperatur, Luftdruck und -feuchtigkeit sowie 2× Boden­temperatur für das große Beet und das Gewächshaus. Zudem habe ich mittlerweile auch zwei Sensoren für Boden­feuchtigkeit ergänzt, was nochmal eine kleine Herausforderung war.

Das Ganze verbraucht sehr wenig Strom und läuft hauptsächlich auf einem 1000mAh LiPo, der lediglich durch eine kleine Solarzelle regelmäßig aufgeladen wird. Der Mikrocontroller braucht nur einige mA und wird für die Messungen alle 5min für ca. 3-5s aus dem Deep-Sleep Modus erweckt. Innerhalb des Deep-Sleep Modus braucht er knapp über 800μA. Entsprechend ergibt sich eine theoretische Laufzeit von mehreren Monaten im Batteriebetrieb, in denen es recht wahrscheinlich zu mindestens 2h Sonne kommen sollte, um die Batterie durch die Solarzelle wieder aufzuladen. Aufgrund der Vielzahl der verwendeten Komponenten und des geringeren Ladestroms für die Batterie, ist es aber realistischer, dass der LiPo nur einige Wochen hält und das Aufladen ca. 5h in Anspruch nimmt.

Zur Übertragung wird das sogenannte LoRaWAN verwendet, wodurch ein niedriger Stromverbrauch bei gleichzeitig sehr hoher Reichweite (mehrere Kilometer) ermöglicht wird. Aufgrund der niedrigen Bandbreite sollte man die zu übertragenden Pakete klein halten, was ja aber bei ein paar Temperaturdaten kein Problem ist. Ein passender Empfänger, der zudem auf einem kleinen OLED-Display immer die zuletzt erhaltenen Werte anzeigt, hängt in unserer Wohnung. Die primäre Anzeige ist aber unser Dashboard im Flur, welches weiter unten auch aufgeführt ist.

Eine kleine Herausforderung war es, die Sensoren für die Boden­feuchtigkeit für den Betrieb im Garten wasserdicht bzw. wetterfest zu bekommen. Im oberen Bereich des Sensors ist ungeschützt Elektronik verbaut, die nicht feucht werden darf. Hierbei war eine handvoll Schrumpfschläuche, Plastik-Spray und viel Klar- und Nagellack hilfreich. Der Vorteil des kapazitiven Sensors ist, dass man ihn komplett in Plastik und Lack hüllen und er trotzdem noch die umliegende Feuchtigkeit messen kann.

Zweite Station mit OLED-Display und weiteren Sensoren

Als nächste große Erweiterung kam ein kleines Display sowie diverse weitere Sensoren hinzu, um noch mehr nützliche Werte zu erhalten. Außerdem konnte ich hier nun endlich einen passiven Buzzer anschließen, um das Klingeln an unserer Haustür sowie unserem Briefkasten auch im Garten hörbar zu machen.

Das OLED-Display zeigt die aktuellen Werte fast aller Sensoren an. Es empfängt die Daten gleichermaßen über LoRaWAN, wie auch der Empfänger in unserer Wohnung. Zudem hängen hier weitere Sensoren, wie bspw. 2× Temperatur-, ein Licht- und 2× Ultraschall-Sensoren zur Messung des Füllstandes unserer Wasserfässer. Das Display sowie der Buzzer bleiben dabei nur an, wenn es draußen hell genug und die Batterie noch nicht zu leer ist. Ansonsten wird auch hier der Deep-Sleep Modus verwendet, um die Batterie zu schonen und ein unterbrechungsfreies Messen der Sensorwerte zu ermöglichen.

Verwendete Bauteile

• 3× Heltec ESP32 Mikrocontroller
  Zwei Mikrocontroller für die Sensoren im Garten und einen als Empfänger der LoRa-Pakete bei uns in der Wohnung. In unserem Fall mit bereits verbautem OLED-Display, LoRa-Transceiver und WiFi-Modul.
• GY-BME280 Sensor
  Zur Messung von Temperatur, Luftdruck und -feuchtigkeit.
• 4× DS18B20 Sensor
  Zur Messung der Bodentemperaturen im Beet, Gewächshaus und Schuppen.
• 2× Capacitive Soil Moisture Sensor v1.2
  Zur Messung der Bodenfeuchtigkeit. Ich habe gleich das 3er-Pack genommen, um direkt Ersatz zu haben, falls irgendwann die Maßnahmen zur Wetterfestigkeit nicht mehr reichen.
• GY-302 BH170 Sensor
  Zur Messung der Lichtintensität in lux. Der resultierende Wert wird auch verwendet, bei Dämmerung das OLED-Display abzuschalten und stattdessen den Deep-Sleep Modus zu verwenden.
• WH-1080 Anemometer Ersatzteil
  Mit Reedschaltern zur Messung der Windgeschwindigkeit. Die Zählung der Umdrehungen findet während des Deep Sleep aufgrund der Nutzung des ULP Co-Prozessors statt. Dadurch ist die Messung nicht nur auf die Zeit begrenzt, in welcher der ESP32 wach ist.
• WS-1080 Rain Gauge Ersatzteil
  Mit Reedschaltern zur Messung der aktuellen Niederschlagsmenge. Die Zählung der Kippungen des integrierten Löffels findet während des Deep Sleep aufgrund der Nutzung des ULP Co-Prozessors statt. Dadurch ist die Messung nicht nur auf die Zeit begrenzt, in welcher der ESP32 wach ist.
• 2× Ultraschall-Sensor
  Die Ultraschall-Sensoren zur Messung der Entfernung des Wasserspiegels zur Oberkante des Wasserfasses, wodurch der Füllstand ermittelt wird. Um die 5V der Echo-Leitung auf 3,3V herunter zu regeln, habe ich den Voltage Divider direkt auf dem HC-SR04 Sensor als Mod aufgelötet, den ich ursprünglich verwendet habe. Zudem habe ich zur parallelen und damit schnelleren Messung beider Ultraschall-Sensoren die HC-SR04 Bibliothek selbst neu geschrieben. Diese ist mittlerweile sogar offiziell in der Arduino IDE Bibliotheksverwaltung integriert. Später habe ich dann auf wasserfeste Ultraschall-Sensoren umgestellt und meine Bibliothek dahingehend angepasst.
• 2× 3,7V 1000mAh LiPo
  Für den Langzeit-Betrieb ohne Stromquelle. In unserem Fall gleich eine ganze Ladung für mögliche zukünftige Projekte oder als Ersatz.
• 2× 5V 500mAh Solarzelle
  Um die Batterie entsprechend in ca. 2-4h bei voller Sonne wieder voll aufzuladen.
• 2× MT3608 Step-Up Modul
  Um die Stromstärke für die Bodenfeuchtigkeit- und Ultraschall-Sensoren auch im Batteriebetrieb auf 5V zu halten.
• 2× IRF520 Mosfet Driver Modul
  Hatte ich noch herumliegen und daher für das An- und Abschalten einiger Sensoren verwendet, um die Batterielaufzeit zu verlängern. Für noch mehr Energieeffizienz und zur weiteren Optimierung, habe ich den IRF520 auf dem Modul durch einen IRLZ44N Mosfet ersetzt, der bei 3,3V noch besser durchschaltet.
• KY-006 Passives Piezo Buzzer
  Ein passive Buzzer, mit dem man unterschiedliche Töne erzeugen kann. Wird verwendet um das Tür- und Briefkasten-Klingeln auch im Garten hörbar zu machen.
• TFA Dostmann Schutzhülle

Werkzeuge und Hilfsmittel

• Schrumpfschlauch-Set
  Gleich mehrere Größen, um den Bodenfeuchtigkeit-Sensor optimal wetterfest zu bekommen.
• Isolierlack bzw. Plastik-Spray und Klarlack-Spray
  Um die Ränder des Schrumpfschlauchs und des Bodenfeuchtigkeit-Sensors vollständig in Plastik und Lack zu hüllen.
• Set mit Lötkolben, usw.
  Falls noch nicht im Haushalt, kann ich dieses recht günstige Set empfehlen. Reicht für den gelegentlichen Hobbygebrauch.
• Set mit Lochrasterplatinen, Widerständen, usw.
  Da man einige Sachen am Ende löten muss, helfen ein paar Lochrasterplatinen und Widerstände. Zudem sind die LEDs und Taster immer mal beim herumprobieren hilfreich.
• Steckbrett/Breadboard mit Male-Jumperkabeln sowie zahlreiche Female-Jumperkabel
  Das Steckbrett hilft beim ausprobieren der Schaltungen und die Kabel sind natürlich für allerlei Verkabelung nötig.
• Abisolierzange
  Falls noch nicht im Haushalt und nicht genug Übung mit dem Messer, sollte man sich direkt eine mit bestellen.