Kinderprojekt „Wetterradar“ mit LoRaWAN^®

Bereits in meinen jungen Jahren war ich von der Elektronik fasziniert und sie war immer fester Bestandteil meiner Bastelprojekte. Möglich, dass mein „erster Kontakt“ im Alter von zwei Jahren (Schraube und Steckdose), der initiale Impuls dafür war. Später wurde das Interesse durch das ELVjournal vertieft, das ich zuerst bei Freunden gelesen, dann selbst abonniert habe.

Inzwischen sind meine Projekte gewachsen und sollen Sinn ergeben. Dabei macht es mir Spaß, auch andere mitzunehmen und für die Elektronik zu begeistern. Mittlerweile organisiere ich auch immer wieder Workshops mit Kindern und deren Eltern. Dieses Jahr wollte ich den Kindern etwas Besonderes bieten. Es sollte das Interesse bzw. Bewusstsein für die Themen Technik, Umwelt, Gemeinschaft, Teamarbeit und Verantwortung wecken bzw. stärken.
Ich betreibe seit längerem ein LoRaWAN^®-Gateway für TheThingsNetwork (Bild 1). Unser Gemeindegebiet erstreckt sich über eine Fläche von 49 km². Vom tiefsten Graben mit 340 m bis zum höchsten Berg mit 1450 m deckt unsere Gemeinde somit einen Seehöhenbereich von mehr als 1100 m ab.

Damit findet man ideale Rahmenbedingungen vor, um mit den Kindern die unterschiedlichen Klimazonen in unserer Gemeinde zu erforschen. In der Grundidee stellte ich mir mehrere Sensoren vor – verteilt auf das ganze Gemeindegebiet von St. Stefan ob Stainz –, deren Daten in Echtzeit auf einer Webseite dargestellt werden. Die Messwerte sollen aber nicht nur den Kindern die oben genannten Themen näherbringen, sondern auch allen Bewohnern und Besuchern der Region zur Verfügung stehen. So kann das Projekt einem großen Personenkreis Nutzen bringen.

Die Entfernungen und mein bereits vorhandenes Gateway sprachen eindeutig für LoRaWAN^®, jedoch war mir auch gleich zu Beginn bewusst, dass unsere stark hügelig geprägte Landschaft mir das Ganze nicht so einfach machen wird. Auch die Stromversorgung war ein wichtiges Thema, denn nicht überall ist eine Steckdose vorhanden, und regelmäßige Wanderungen nur für den Batteriewechsel wollte ich mir auch nicht auferlegen. Somit war Energyharvesting die einzige Option für den Betrieb der Sensoren.

All diese Anforderungen werden von der ELV LW-Base Experimentierplattform perfekt erfüllt. Gleichzeitig ermöglicht sie – wegen ihrem einfachen Stecksystem – den Aufbau durch Kinder und Eltern selbst, auch ohne entsprechende technische Kenntnisse.

Projektvorbereitung

Nachdem ich die Idee für mich im Groben skizziert hatte, musste ich mir natürlich auch Gedanken zur Umsetzung machen. Glücklicherweise habe ich durch meine zahlreichen Projekte bereits ein Netzwerk an Partnern und Unterstützern aufbauen können, was mir bei diesem, doch etwas umfangreicheren Projekt, sehr geholfen hat. Denn am Ende sollte natürlich eine funktionierende Webseite mit realen Messwerten herauskommen.

Neben der Akkulaufzeit ist beispielsweise auch die Positionierung des Temperaturfühlers und die Erreichbarkeit des Gateways wichtig.

Die beiden größten Herausforderungen waren einerseits die Position der Sensoren zu definieren, um eine gute Erreichbarkeit des Gateways zu erzielen, und zum anderen die Erstellung der Webseite. Ich hatte zwar schon Erfahrungen durch selbst gebaute Visualisierungen für unser eigenes Smart Home, aber für die Programmierung der Webseite für die Sensoren musste ich viel Neues lernen.

Zusammenstellung der Sensoren

Jede Sensoreinheit besteht aus einem robusten Gehäuse, das die ganze Technik dauerhaft vor Umwelteinflüssen schützt, aber ausreichend Lichteintrag zulässt, um die Einheit verlässlich mit Energie zu versorgen. Dieses Licht wird von einer Solarzelle aufgenommen und steht über das Energyharvesting Modul zur Verfügung. Als Energiespeicher dienen 3 Stück AAA-Akkus in einem handelsüblichen Batterieadapter für LED-Taschenlampen. Die Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂ erfolgt über die Module ELV-AM-TH1 und ELV-AM-CO2. Die die Übermittlung der so erfassten Messwerte erfolgt dann wiederum durch die ELV LW-Base.

Weitere Komponenten des Sensors sind: eine ELV-Adapterplatine 1 zur Aufnahme der Module und Befestigung im Gehäuse, eine PG-Verschraubung für die dichte Durchführung des abgesetzten Temperatursensors sowie ein Druckausgleichsmembran, um Kondensat im Gehäuse zu verhindern.

Zusätzlich läuft auf jedem Gerät eine speziell angepasste Firmware, die alle Messwerte der verbauten Sensoren unterstützt. Weiteres bietet sie auch noch die Möglichkeit, die Sendeintervalle im laufenden Betrieb anzupassen, falls die Akkulaufzeit im realen Betrieb nicht reicht.
Dafür habe ich einen Sensor vorab zusammengebaut und über mehrere Wochen im Test betrieben.

Workshop

Den Zusammenbau der 20 Sensoreinheiten habe ich auf zwei Workshops aufgeteilt, um sicherzustellen, dass ich die Gruppen im Griff behalte (Bild 2). Es hat zudem den Vorteil, dass bei einem möglichen Fehlerfall dieser bereits im ersten Workshop erkannt und im zweiten Workshop berichtigt werden kann. Zwecks Haftung und Aufsichtspflicht wirkte mit jedem Kind auch ein Elternteil beim Workshop mit. Die Tätigkeiten wurden auf mehrere Tische verteilt.

An einem Tisch konnte der Sensor im TTN-Netzwerk angemeldet werden, an einem weitern wurden die Module zusammengesteckt und ins Gehäuse eingebaut. Ein Tisch diente zur Eintragung der Position auf der Webseite. An einem weiteren Tisch konnten die Kinder unter der Aufsicht einer Studentin von der Uni Graz Experimente durchführen. Nebenbei gab es noch die Möglichkeit, aus altem Holz ein Vogelhäuschen zu bauen (Bild 3) oder im Garten mit anderen Kindern zu spielen. In Absprache mit den Eltern wurden zudem die fertiggestellten Sensoren nun an den zuvor definierten Stellen platziert, um hier zukünftig die Umgebungsbedingungen zu erfassen.

Übertragung der Messwerte

Die erfassten Werte werden per LoRaWAN^®-Protokoll übermittelt. Als Empfangsstation dient mein eigenes Gateway (Dragino DLOS8). Über das TTN-Netzwerk werden die Daten anschließend auf meinen Server übertragen. Durch diesen Umweg ist das Netzwerk bei Bedarf mit zusätzlichen Empfangsstationen erweiterbar, was gerade in unserer hügeligen Gegend hilfreich ist.

Aufbereitung und Weiterleitung der Daten

Auf meinem Server werden die Datenpakete aufbereitet und mit Daten von meiner Homematic IP Wetterstation ergänzt. Gleichzeitig werden die Spannungen der Akkus überprüft. Bei Unterschreitung der Akkuspannungen wird das Sendeintervall des betroffenen Sensors automatisch erhöht, um einen frühzeitigen Ausfall zu verhindern – zusätzlich erhalte ich eine Benachrichtigung zum möglicherweise notwendigen Wechsel der Akkus. Diese Datenaufbereitung und das Monitoring erledigt meine NodeRed-Installation ganz von alleine, die auch bereits alle wesentlichen Smart-Home- und Energiemanagement-Aufgaben in unserem Haus verarbeitet. Über eine eigens entwickelte API-Schnittstelle werden die Daten dann an die Webseite übertragen und für einen Zeitraum von 30 Tagen archiviert.

Visualisierung auf der Webseite

Die gesamte Visualisierung der Klimadaten kann unter https://peissl.at/klima/ aufgerufen werden.
Für die (teilweise jungen) Besucher der Webseite habe ich eine bunte Karte erstellt (Bild 4). Sie basiert auf Daten von OpenStreetMap, die ich mit Leaflet und einigen eigenen Funktionen erweitert habe. Auf der Karte werden unsere Gemeindegrenzen abgebildet und jeder Sensor als Kreis dargestellt. Hierbei beeinflusst die aktuelle Temperatur die Farbe des Kreises. Die Definition der Farben ist an der links befindlichen Skala beschrieben. Eine dünne schwarze Linie stellt den Mittelwert aller im Fenster sichtbaren Sensoren dar. Die dahinterliegende weiße Fläche deckt den Bereich vom niedrigsten bis zum höchsten Messwert ab.

Jeder Sensor zeigt zusätzlich durch einen kleinen Ast mit einem Laubblatt den lokalen CO₂-Wert mittels Ampelfarben an. Die Messwerte können über das Icon unter der Skala umgeschaltet werden. Aktuell stehen Temperatur, Luftfeuchte, CO₂ und die Spannung der Akkus zur Auswahl.

Bei Tipp/Klick auf einen Sensor werden Details und ein 24-Stunden-Graph eingeblendet. Sind die angezeigten Werte älter als eine Stunde, weil der entsprechende Sensor keine neuen Werte geliefert hat, färbt sich der Kreis grau. Fürs Anlernen der Sensoren habe ich auch noch eine weitere Backend-Webseite erstellt, auf der die Sensoren eingepflegt und verwaltet werden können.

Helfende Hände

Auch bei diesem Projekt gab es einige Helfer, die mich bei der Umsetzung sehr unterstützt haben. Vorweg den größten Dank an ELV für dieses großartige Experimentiersystem, welches es auch dem Laien ermöglicht, tolle Sensoren zu bauen. Danke an Alexander von AEQ-Web für die fachliche Unterstützung beim Thema LoRaWAN^® und für die Assistenz beim Workshop. Ebenso Dank an Günter von Tablegray für die rechtliche Beratung (Sensoren und Webseite) sowie auch für die Betreuung beim Workshop. Danke an Philipp von der Uni Graz für die Entsendung einer Studentin mit einem Tisch, an dem die Kinder zwischendurch themenbezogene Experimente durchführen konnten. Danke zudem an Nina für das Fotografieren. Großen Dank auch dem Stieglerhaus für die Nutzung des Saals und die perfekte Betreuung beim Workshop. Und zum Schluss vielen lieben Dank an die Kinder und Ihre Eltern, die bei diesem Projekt mitgewirkt haben.

Das Ergebnis findet Ihr hier: Unser Klima in St. Stefan ob Stainz

Zur Person:

Robert Peißl ist Homematic-Anwender der ersten Stunde. Als Produktmanager bei einem bekannten österreichischen Sonnenschutzhersteller ist er unter anderem für die Automatisierung des Sonnenschutzes und seit kurzem auch für Softwareprojekte verantwortlich. Privat ist er Initiator und Organisator des österreichischen Homematic-Usertreffens und eine treibende Kraft in der Smart-Home-Community in Österreich.

Kinderprojekt „Wetterradar“ mit LoRaWAN®