WETTERSTATION

An das Außenthermometer auf dem Balkon oder der Terrasse kann sich bestimmt noch der eine oder andere erinnern. Über die Jahre verwittert, lieferte es zumindest eine Impression der Außentemperatur. Gesellschaft leistete ihm gelegentlich ein Barometer, das den Luftdruck ähnlich vage anzeigte, vermutlich, um das Thermometer nicht in Verlegenheit zu bringen. Eine moderne Wetterstation kann heutzutage weitaus mehr als nur die Temperatur oder den Luftdruck zu messen. Durch eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren und die Vernetzung mit dem Gebäude ist sie ein wertvoller Helfer bei der Automatisierung des Lebensumfeldes.

WARUM EINE WETTERSTATION?

Als Technologie-Enthusiasten reicht uns natürlich die Antwort: weil es geht.

Keine Sorge, es gibt auch so gute Gründe eine Wetterstation in einem Smart Home einzusetzen, ein paar Beispiele zur Veranschaulichung: die Außentemperatur kann Hinweise liefern geöffnete Fenster zu schließen oder zusammen mit der Luftfeuchtigkeit den optimalen Lüftungszeitpunkt anzeigen. Nächtlicher Niederschlag bei frostigen Temperaturen kann ein Hinweis sein, dass die Verkehrssituation am nächsten morgen noch weniger entspannt ist, als sie es in der Regel schon ist. Das Smart Home könnte auf Wunsch die Weckzeit früher einstellen. Setzt Regen ein, können Dachfenster geschlossen und Markisen eingefahren werden. Brennt die Sonne im Sommer vom Himmel, wird die Beschattung zum Schutz der Innenräume ausgefahren. Bei gleicher Helligkeit im Winter, aber niedriger Außentemperatur können im Gegenzug Jalousien gleich frühmorgens hochgefahren werden, um Energie in die Räume einströmen zu lassen.

Generell gilt: die Umgebung bzw. Umwelt zu kennen, hilft bessere Entscheidungen zu treffen. Bevor es aber zu philosophisch wird, sehen wir uns an, welche Werte von der Wetterstation erfasst werden:

  • Temperatur
  • Relative Luftfeuchtigkeit
  • Luftdruck
  • Helligkeit
  • Wind-Geschwindigkeit (aktuell und aggregiert über die letzten Minuten)
  • Windböen
  • Wind-Richtung (aktuell und aggregiert über die letzten Minuten)
  • Niederschlag
  • Niederschlagsmenge
Eine Wetterstation ist dazu typischerweise auf dem Dach oder zumindest exponiert montiert, gerade um Wind, Niederschlag und die Helligkeit reibungslos messen zu können. Die Messung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit kann aber durch starke Sonneneinstrahlung verfälscht werden. Daher verwendet die SEVEN|O-Wetterstation nicht nur einen Sensor für Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sondern unterstützt bis zu 10 Temperatur und 5 Feuchtigkeitssensoren, die beliebig um ein Haus verteilt werden können. Messungen in Bodennähe, unter der Solaranlage, an der Fassade einer beliebigen Himmelsrichtung können problemlos umgesetzt werden. Ein ganzes Sensor-Feld voller Messdaten zur Entzückung aller Nerds und zum Nutzen der Hausbewohner.

AUSFLUG
IN DEN SENSORWALD

Die SEVEN|O-Wetterstation verwendet unterschiedliche Sensoren um Daten aus der Umwelt zu erfassen. Alle Sensoren sind an einen Microcontroller, den ESP32 von Espressif, angebunden. Er initialisiert die Sensoren, sammelt ihre Messwerte und leitet sie an den SEVEN|O-Homeserver weiter.

DS18B20 – Temperatur

Der DS18B20 ist ein verlässlicher Temperatursensor dem Tiefe winterliche Temperaturen und starke sommerliche Hitze nichts ausmacht. Der Sensor ist auch in einer wasserfesten Variante verfügbar, z.B. um die Temperatur in einer Zisterne, einem Gartenteich in der Regenrinne etc. zu messen.

DHT22 – Temperatur/Relative Luftfeuchtigkeit

Der DHT22 bringt neben der Temperatur auch die relative Luftfeuchtigkeit ins Spiel. Der Sensor ist nicht wasserfest, sonst hätte er auch Schwierigkeiten die Luftfeuchtigkeit zu messen und wird daher in einem spritzwassergeschützen Gehäuse, das die Luftzirkulation erlaubt, untergebracht.

MPL3115A2 – Luftdruck, alternativ Höhenmesser, Temperatur

Der DHT22 bringt neben der Temperatur auch die relative Luftfeuchtigkeit ins Spiel. Der Sensor ist nicht wasserfest, sonst hätte er auch Schwierigkeiten die Luftfeuchtigkeit zu messen und wird daher in einem spritzwassergeschützen Gehäuse, das die Luftzirkulation erlaubt, untergebracht.

BlueDot BME280 + TSL2591 – Temperatur, Relative Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Helligkeit

Mit dem BlueDot alleine könnte man eine sehr kleine Wetterstation bauen. Als Ergänzung zu den anderen hier verwendeten Sensoren bringt er die Helligkeit mit. Praktischerweise gleich als Lux-Wert. Bzgl. der Helligkeitsauswertung kann er unterschiedlich empfindlich konfiguriert werden, z.B. empfindlicher für Innenräume oder weniger empfindlich um ein größeres Helligkeitsspektrum abzudecken für den Ausseneinsatz, z.B. für die Wetterstation.

Hydreon RG-11 – Niederschlag, alternative Niederschlagsmenge

Sensoren, die ein Signal liefern, wenn Niederschlag fällt, gibt es viele. Getestet haben wir eine Menge. Viele günstige Sensoren sind nicht sensitiv genug, korrodieren schnell oder liefern nur unzuverlässige Werte. Letztlich haben wir uns für die Königsklasse entschieden, den Hydreon RG-11. Hier kann die Wetterstation verlässlich melden, wenn es zu regnen beginnt und wenn der Niederschlag wieder aufhört. Alternativ kann man den Sensor auch in einen Modus schalten, in welchem die Regenmenge gemessen wird. Interessant, wenn man wissen will wie viel Niederschlag in der letzten Zeit gefallen ist.

Sparkfun Weather Meter – Wind-Geschwindigkeit, Wind-Richtung

Das Sparkfun Weather Meter besteht aus drei Sensoren, einem Anemometer zur Messung der Windgeschwindigkeit, einem Windrichtungsmesser und einem, von uns nicht verwendeten Regenmengenmesser. Die Regenmenge wird mit dem Sparkfun Weather Meter mechanisch gemessen, daher verwendet die SEVEN|O-Wetterstation auf Wunsch einen weiteren Hydreon RG-11 zur Regenmengenmessung. Die Wind-Richtung wird wie bei einem Kompass auch angezeigt, wie häufig gewohnt in einer granularen Einteilung, als N, NNO, NO etc. Windgeschwindigkeiten können bis 120 km/h gemessen werden.

Die Sensoren sind über unterschiedliche Technologien bzw. Protokolle an den Microcontroller angeschlossen, die DS18B20-Sensoren über 1-Wire, die BME280-Sensoren über I2C die DHT22-Sensoren kommunizieren über ein einfaches digitales Signal usw. Um all das kümmert sich die Wetterstation selbständig. Die Kommunikation mit dem SEVEN|O-Homeserver funktioniert einheitlich mit dem bewährten Standard MQTT (Message Queuing Telemetry Transport).

AVIONIK-MODUS

Wie bei Flugzeug-Sensoren bzw. in der Raumfahrt lassen sich Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck in der SEVEN|O-Wetterstation für eine hohe Zuverlässigkeit zusammenschalten. Soll z.B. die Temperatur an einer Stelle möglichst genau gemessen werden, so können 3 oder mehr Sensoren, zusammen geschaltet werden. Die Wetterstation liefert nur einen Wert zurück, wertet aber alle beteiligten Sensoren dazu aus. Berechnet wird ein dynamischer Durchschnitt, bei welchem die Sensoren, die am stärksten abweichen aus der Kalkulation herausgelassen werden. Einzelne Sensoren, die temporär z.B. durch Sonneneinstrahlung oder Nässe, abweichende Werte liefern würden, können so getrost ignoriert werden. Wie die Temperatur ermittelt wird, interessiert die Bewohner in der Regel nicht. In der SEVEN|O-Oberfläche wird daher nur ein einziger Wert angezeigt, auf den Verlass ist.

HOUSTON, WIR HABEN KEIN PROBLEM

Die SEVEN|O-Wetterstation klinkt sich nahtlos in ein bestehendes WLAN ein und kommuniziert so mit dem SEVEN|O-Homeserver. Wetterstation und Homeserver verwenden einen marktüblichen Standard für die Kommunikation: MQTT mit der Homie-Spezifikation. „Martktüblicher Standard“ ist eigentlich eine Untertreibung. MQTT ist DAS Protokoll zur Vernetzung von Geräten im Smart Home Umfeld und wird in der Industrie bereits seit Jahren erfolgreich für große Installationen verwendet. Das Protokoll stellt dabei sicher, dass Nachrichten auch über eine Funkstrecke schnell und verlässlich übertragen werden. Da es ein offener und weit verbreiteter Standard ist, besteht keine Gefahr sich von einem Hersteller abhängig zu machen.

BADEN IM DATENSEE

Für Chart-Verliebte bietet die Wetterstation eine schöne Gelegenheit, um in die Messdaten einzutauchen. In der SEVEN|O-Oberfläche lassen sich dazu sowohl aktuelle Temperatur-Verläufe, als auch historische Daten betrachten.Der eigene Beliebtheitsgrad bei Wetter-Experten im Freundeskreis steigt ungemein, wenn man ihre Behauptungen wie „Letzten August war es viel wärmer“ durch einen kurzen Blick auf die vergangenen Temperaturverläufe schnell widerlegen kann.

Neben der Temperatur können natürlich alle von der Wetterstation ermittelten Werte aus dem Datensee herausgefischt und visualisiert werden. Wichtige Fragen werden so schnell beantwortet: Hat die Sonne Zuhause auch so wenig geschienen wie am Strand in unserem Badeurlaub? Hat es wenigstens öfter geregnet?

Ein Bad im Datensee kann auch helfen an der Optimierungs-Schraube zu drehen: Wie viel Niederschlag fällt in unseren Garten? Lässt sich unser Bewässerungskonzept verbessern?

WARUM KEINE WETTERSTATION VON DER STANGE?

An der Stange sind sie letztlich dann alle montiert, aber die Freiheit bei der Sensorauswahl und die Entscheidung für offene Standards wollten wir uns nicht nehmen lassen. Ein paar der Punkte im Detail:

  • Genau das messen, was wirklich relevant ist und die Erweiterbarkeit für künftige Szenarien nicht verlieren.
  • Die Güte der Sensoren je nach Anwendungsfall bestimmen: auch sehr günstige Temperatur-Sensoren liefern passende Werte. Bei den Regensensoren allerdings muss man für verlässliche Daten auf hochwertige Sensoren setzen. Anemometer variieren bzgl. der Qualität des Lagers und der Materialien. Auf der Zugspitze wäre ein einfaches Kunststoff-Windrad den harschen Wetterbedingungen auf Dauer nicht gewachsen. In den meisten Gegenden, in welchen Menschen wohnen, ist dies jedoch eine valide kostengünstige Option.
  • Möglichst alles erfassen, was einfach und kostengünstig messbar ist. Selbst manch teurer Wetterstation fehlt ein simpler Feuchtigkeitssensor.
  • Hohe Verfügbarkeit bei der Hardware (ESP32) und offene Standards bei der Kommunikation (MQTT), um Abhängigkeiten von einzelnen Herstellern zu vermeiden.
  • Erweiterte Funktionen, z.B. der Avionik-Modus oder einfache Updates der Software über WLAN.
  • In späteren Ausbaustufen der Einsatz von „exotischen“ Sensoren, z.B. zur Messung der UV-Strahlung oder Umweltsensoren, die Gaskonzentrationen messen, Blitzsensoren, die vor herannahenden Gewittern warnen. Die Möglichkeiten sind nur durch den Erfindugsreichtum der Sensorhersteller begrenzt.

DATENHOHEIT UND CLOUD

Daten die im Umfeld eines Gebäudes gesammelt werden sind sensitive Daten. Die Bewohner haben zurecht ein berechtigtes Interesse, dass damit sicher umgegangen wird.

Die Wetterstation ist Teil der SEVEN|O Hausautomation und sämtliche Messdaten werden lokal gespeichert. Nichts wird in die Cloud übermittelt, wenn es nicht expliziter Wunsch der Bewohner ist. Die Datenhoheit haben immer die Bewohner.

FAZIT

Eine Wetterstation erweitert die Möglichkeiten eines smarten Lebens. Daten aus der unmittelbaren Umgebung des Gebäudes helfen Routinetätigkeiten zu automatisieren, so dass die Menschen den Fokus auf den spannenderen Teil des Lebens setzen können.