Kampis Elektroecke

Überblick

Die Entwicklung des Sensor-Knotens soll auf einem fertigen Particle Argon Mikrocontrollermodul basieren, welches ich vor längerer Zeit einmal bestellt und seitdem nicht genutzt habe. Es wäre natürlich schade und etwas unnötig, wenn dieses Board in der Schublade verschwindet, also habe ich mich entschlossen dieses Board für den solarbetriebenen Sensorknoten zu verwenden.

Das fertige Gerät soll die folgenden Umweltparameter aufzeichnen:

  • Umgebungstemperatur
  • Luftfeuchtigkeit
  • Luftdruck
  • Luftqualität
  • Windgeschwindigkeit
  • Windrichtung
  • Umgebungslicht
  • UV-Anteil des Umgebungslicht

Wobei die einzelnen Parameter über verschiedene Sensoren erfasst werden:

Parameter Sensor
Umgebungstemperatur MCP9808
Luftfeuchtigkeit BME680
Luftdruck BME680
Luftqualität BME680
Umgebungslicht BH1726
UV-Anteil VEML6070
Windgeschwindigkeit Davis Anemometer
Windrichtung Davis Anemometer

Einen Regensensor habe ich bisher außen vor gelassen, da die optischen Sensoren eine zu hohe Betriebsspannung benötigen und ich bei den analogen Sensoren nicht weiß wie gut diese funktionieren. Ggf. wird ein Regensensor in für die nächste Version eingeplant.

Der Sensorknoten soll eine Solarzelle als Spannungsversorgung besitzen. Für Tage mit wenig Sonnenlicht, bzw. für die Nächte muss die Spannungsversorgung über einen Akku erfolgen. Praktischerweise besitzt das Particle Argon bereits einen Anschluss für einen Li-Po Akku inkl. kompletter Ladeschaltung. Die Versorgung des Particle Argon kann wahlweise mit 5 V über den USB-Anschluss, bzw. über den entsprechenden VBUS-Pin oder über den 3,3 V Li-Po-Anschluss erfolgen.

Wenn zur Versorgung eine Solarzelle eingesetzt werden soll, muss beachtet werden, dass die Ausgangsleistung der Solarzelle komplett von der Menge des zur Verfügung stehenden Sonnenlichts abhängt und eine stabile Versorgung über einen möglichst großen Bereich gewährleistet sein muss.

Dem entsprechend ist es nicht sinnvoll, wenn die Ausgangsspannung der Solarzelle direkt der Versorgungsspannung entspricht, da die Ausgangsspannung der Solarzelle bei Abnahme des Lichtes sinkt und die Schaltung somit nicht mehr versorgt werden kann. 

Der letzte offene Punkt meiner Vorüberlegungen ist das Thema “Kommunikation”. Die erfassten Sensordaten müssen vom Mikrocontroller aus an mindestens ein Endgerät versendet werden. Da das Mikrocontrollermodul über integriertes WLAN, Bluetooth LE und NFC verfügt, kann an diesem Punkt angesetzt werden.

  1. NFC fällt bei näherer Betrachtung raus, da die Reichweite und die Verwendungsweise von NFC für diesen Anwendungsfall eher suboptimal ist. Zudem wird nur die Funktionsweise eines NCF-Tags unterstützt, sprich ich kann Daten nur lesen und nicht schreiben.
  2. Bluetooth wäre dem entsprechend eine Option und eine Überlegung wert. Das Particle beherrscht BLE und kann auch im Central Mode betrieben werden und somit als Master für andere Geräte fungieren. Allerdings ist die maximale Anzahl an Geräten auf in der aktuellen Version des Device OS auf 3 beschränkt, was ich eher unpraktisch finde. Zudem ist die Anwendung von BLE in der Software etwas komplizierter als z. B. bei WLAN oder NFC.
  3. Bei der Verwendung von WLAN können bis zu 10 verschiedene Netzwerke gespeichert und verwendet werden und zudem lässt sich WLAN mit wenig Aufwand in die Firmware integrieren. Der Nachteil an der WLAN-Lösung ist allerdings der einmalige Aufwand um die WLAN-Daten im Mikrocontrollermodul zu speichern.

Die Datenübertragung soll daher über WLAN erfolgen, wobei ich auch noch BLE zur Parametrierung des Sensormoduls nutzen möchte. Als Protokoll soll auf MQTT aufgebaut werden, da für dieses Protokoll zahllose Implementierungen vorhanden sind und ich somit die Möglichkeit geschaffen habe, dass die Daten vom Sensorknoten an mehrere Geräte verteilt werden können. Ein Raspberry Pi kann zudem gleichzeitig als Broker und als Anzeigegerät für die Daten dienen. Parameter wie z. B. die Adresse des Servers sollen dann über BLE an den Mikrocontroller übermittelt werden.

Damit sind die groben Vorüberlegungen abgeschlossen. Im zweiten Teil geht es mit dem Entwurf und dem Design der Spannungsversorgung weiter.

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