Arduino GPS-Wetterstation

Ich möchte euch mal mein neuestes Projekt vorstellen.
Das wird eine Wetterstation, die sich über ein GPS-Modul die Atom-Uhrzeit (und Datum) holt.
Bis das GPS-Modul Empfang hat und die Uhrzeit bereitstellt, übernimmt ein DS3231-RTC-Modul die Uhrzeit-/Datumsanzeige.
Außerdem werden diverse Wetterdaten (Luftdruck (mit Tendenz), Temperatur + Luftfeuchtigkeit (innen), Temperatur + Luftfeuchtigkeit (außen), sowie die Helligkeit (in Lux)) ausgelesen und auf dem 3.2" TFT angezeigt.
So weit eigentlich noch nichts besonderes (bis auf das GPS-Modul). Das schaffen die meisten Wetterstationen auch.
Meine Wetterstation speichert aber alle Wetterdaten und zwar alle 5 Minuten. Das sind pro Tag 288 Datensaetze á 12 Bytes = 3456 Bytes/Tag.
Immer um Null Uhr werden diese 3456 Bytes auf eine SD-Card gespeichert. Die 8GB-Karte sollte dafür sehr lange ausreichen.
Und damit auch AutoIt mit im Spiel ist, werde ich noch eine Auswert-Software fuer den PC schreiben. Bisher kann ich (per AutoIt-Script) immerhin schon die (auf der SD-Karte) gespeicherten Dateien abrufen. Somit habe ich die Wetterdaten schonmal auf dem PC.
Dieses Konzept finde ich ganz praktisch, weil ich so die SD-Karte immer im Arduino lassen kann (der Arduino speichert nebenbei weiter die Wetterdaten) und wenn ich den PC starte, kann ich die Daten der letzten Tage/Wochen abrufen.
Hier habe ich mal den bisherigen Aufbau mit Fritzing gezeichnet:
GPS_Wetterstation_Steckplatine_v2.png
Ich verwende also einen Arduino Mega2560 (Basis) und einen Arduino Nano (Außensensor).
Die serielle Verbindung zwischen den Beiden besteht momentan noch aus ein paar kurzen Kabeln. Das wird später eine RS485-Verbindung (Teile sind bestellt), weil das ein 5m Kabel werden soll.
Funk wäre noch eine Alternative gewesen, aber dann hätte ich mir wieder Gedanken um die Spannungsversorgung des Außensensors machen müssen.
Batterien/Akkus will ich vermeiden, weil der Außensensor beim wechseln der Batterien keine Daten senden kann.

Im Großen und Ganzen läuft das Ganze bereits und befindet sich derzeit im Langzeit-Test.
Erstaunlicherweise habe ich sogar mitten im Zimmer GPS-Empfang. Uhrzeit und Datum schon nach wenigen Sekunden.
Die Position (Breiten-/Längengrad) erst nach ein paar Minuten (dafür braucht man den Empfang von 4 Satelliten). Genauer wird die Position wenn 6 oder 7 Satelliten empfangen werden.
Dann kann ich die Koordinaten bei GoogleMaps eingeben und bekomme direkt meine Wohnungsposition angezeigt.

Edit: Neues Fritzing-Bild mit der RS-485 Verbindung.

Zitat von bazii

Wäre es ferner auch möglich, einen Arudino KNX Regenmesser oder etwas vergleichbares in Deinem Projekt zu verwenden? Falls ja hätte ich ein großes Interesse daran, Dein Projekt mit allen Optionen die Du genannt hast, nachzubauen.

Ich habe bei Reichelt etwas gefunden, was ich mir noch bestellen werde:
Regensensor
Windmesser

Die Elektronik darin kann man ja entfernen/weiterverwenden. Mal schauen...

Auf jeden Fall bietet der externe Nano in meiner Wetterstation noch genügend Reserven dafür. Der hat ja z.Z. nur wenig zu tun.

Ich werde auf jeden Fall hier auch die Quelltexte für die Arduinos sowie die AutoIt-Scripte zur Verfügung stellen. Wer das nachbauen möchte, kann das gerne tun.

Im Moment feile ich noch ein wenig an den Programmen:

Weil in der Wetterstation ja das GPS-Modul mit der hochgenauen Uhr sitzt, wäre es ja Verschwendung, wenn man die vom PC nicht auslesen kann. Also habe ich so eine Abfrage auch mit eingebaut.

Heute kamen die Teile für die RS485-Verbindung.
Ich habe die Verbindung jetzt mittels USB-Kabel (USB-A (Basis) auf USB-Micro-B (Außensensor) angeschlossen.
Das ist sehr praktisch, weil USB bereits VCC und GND sowie zwei Datenleitungen bereitstellt. Die beiden Datenleitungen sind an "A" und "B" vom RS485-Modul angeschlossen.
Verbindung habe ich bisher mit einem USB-A auf USB-Micro-B und einem USB-Verlängerungskabel, weil das 5m-Kabel noch nicht da ist, aber es funktioniert.
Hier mal ein Screenshot vom TFT:
GPS_Wetterstation.png

Helligkeit ist "0 lux", weil ich für das Foto alles dunkel machen musste.
Oben links über dem Satelliten-Symbol wird die Anzahl der empfangenen Satelliten angezeigt (hier jetzt gerade 0).
Unten links beim Luftdruck werden dann auch noch die Werte von vor 3, 6, 9 und 12 Stunden angezeigt.

Zitat von bazii

Wie hoch werden von Dir die gesamten Kosten für Hareware usw. beziffert?

Ohoh, eigentlich wollte ich das gar nicht so genau wissen.

Aber ich habe mal eine Aufstellung gemacht:

Kosten (€):

22,40 Windmesser für Ventus Funkwetterstation (https://www.reichelt.de/Wetterstationen/VENTUS-W132/3/index.html?ACTION=3&LA=446&ARTICLE=132595&GROUPID=3848&artnr=VENTUS+W132&SEARCH=Windmesser%2Bf%25FCr%2BVentus%2BFunkwetterstation)

12,95 Regenmesser für Ventus Funkwetterstation (https://www.reichelt.de/Wetterstationen/VENTUS-W174/3/index.html?ACTION=3&LA=446&ARTICLE=132594&GROUPID=3848&artnr=VENTUS+W174&SEARCH=Regenmesser%2Bf%25FCr%2BVentus%2BFunkwetterstation)

24.80 GPS-Modul U-blox NEO-6M (https://www.amazon.de/Electronic-Horizontal-Chargeable-Quadcopter-Positioning/dp/B01JOTM6CW/ref=sr_1_5?s=computers&ie=UTF8&qid=1488216098&sr=1-5&keywords=gps+neo)

17,99 Mega 2560 R3 Board (https://www.amazon.de/SunFounder-ATmega2560-16AU-Board-compatible-Arduino/dp/B00D9NA4CY/ref=pd_sim_147_7?_encoding=UTF8&psc=1&refRID=QE690JWGG76J998CRWCB)

18,99 SainSmart 3.2 TFT LCD (https://www.amazon.de/SainSmart-3-2-TFT-LCD-Display/dp/B008HWL8QS/ref=pd_bxgy_147_2?_encoding=UTF8&psc=1&refRID=GXGZWK0HGQQHTM80045F)

12,00 AptoFun TFT 3.2" Shield (https://www.amazon.de/AptoFun-TFT-Shield-Arduino-Mega2560/dp/B00Y0XV1KG/ref=pd_sim_147_5?_encoding=UTF8&psc=1&refRID=ZAA1V3KJC74F5AAVH9J0)

10,20 Adafruit TSL2591 Digitaler Lichtsensor (https://www.amazon.de/Adafruit-TSL2591-Digitaler-Lichtsensor-Dynamic/dp/B00M40Y0NW/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1488216765&sr=8-1&keywords=TSL2591)

8,88 Aukru Netzteil 5V 2A (https://www.amazon.de/Aukru-Netzteil-hdmi-splitter-Switch/dp/B00P0XXYJG/ref=pd_sbs_147_6?_encoding=UTF8&psc=1&refRID=ASRVAYAMYFJS9T7V87NE)

5,99 Fivesix DS3231-RTC-Modul (https://www.amazon.de/Fivesix-AT24C32-Precision-Echtzeituhr-Speichermodul/dp/B012JRZ6QY/ref=pd_sbs_147_2?_encoding=UTF8&psc=1&refRID=7KN0R3BEEDXXGHGXFXYY)

5,50 DHT22/AM2302 zwei Stück (https://www.amazon.de/AM2302-digitaler-Messung-Feuchtigkeit-Temperatur/dp/B01N44IRQ6/ref=sr_1_14?ie=UTF8&qid=1488216482&sr=8-14&keywords=am2302)

4,70 Arduino Nano (https://www.amazon.de/CH340H-Mikro-Controller-Board-Arduino-Nano-ATmega328P/dp/B01L1TMY2A/ref=sr_1_10?ie=UTF8&qid=1488216922&sr=8-10&keywords=arduino+nano)

3,12 BMP180 Luftdruck-Modul (https://www.amazon.de/BMP180-Digitale-Luftdruck-Sensor-Arduino/dp/B00N1TSTPA/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1488216569&sr=8-1&keywords=bmp180)

3,72 TTL auf RS-485 Modul (https://www.amazon.de/RS-485-Module-Arduino-MAX485-Chipsatz-Brandneu/dp/B00J3PC1T6/ref=sr_1_11?ie=UTF8&qid=1488216635&sr=8-11&keywords=rs485)

3,21 Breadboard 830 Kontakte (https://www.amazon.de/Steckbrett-Breadboard-Experimentierboard-Steckplatine-Kontakte/dp/B009P04XWW/ref=sr_1_6?s=computers&ie=UTF8&qid=1488216029&sr=1-6&keywords=breadboard)

1,76 Steckbrett Drahtbrücken 65 Stück (https://www.amazon.de/wiederverwendbare-Steckbrett-Drahtbr%C3%BCcke-Schaltung-Schaffen/dp/B008U4ZOLI/ref=pd_bxgy_107_2?_encoding=UTF8&psc=1&refRID=QYS01PF3VHSTQYQBMJS3)

Alles zusammen rund 160,-€ wenn man nichts davon bereits rumliegen hat und das alles einzeln bestellen muss.
Einige Teile mag es anderswo (ebay, aliexpress) günstiger geben. Keine Ahnung! Da muss jeder selbst schauen.
Meist sind die Einzelpreise günstiger, wenn man gleich mehrere kauft. Deswegen ist es schwer die Kosten zu beziffern.

Nicht eingerechnet sind die Gehäuse für die Basis und den Außensensor. Außerdem das Kabel zwischen den Beiden.
Letztlich muss das Ganze auch noch dauerhaft (nicht auf Steckbrett) zusammen gebaut werden. Also noch eine Leiterplatte, Lötzinn, etc...

Es sollte jedem klar sein, dass man zu dem Preis auch eine komplette Wetterstation mit Funk-Außensensor und schicken Innengehäuse bekommen kann.
Es ist also nicht so, dass man mit dem Selbstbau Kosten sparen kann. Für mich ist es der Spaß am Selbstbau und der Programmierung.

Aber Du schreibst, dass Du ein "Arduino Laie" bist. Das ist keine gute Voraussetzung für so einen Nachbau.
Vielleicht solltest Du Dir erstmal ein Arduino-Starterkit kaufen. Am besten eines mit einem Arduino Mega2560.
Den, und einige der anderen Teile, kannst Du dann für das "große" Projekt weiterverwenden.
Auf jeden Fall solltest Du erstmal Erfahrungen sammeln mit einfachen, kleinen Schaltungen.
Als Starterkit mit einem Mega2560 würde ich sowas empfehlen: Arduino-Starterkit

Zitat von alpines

Wo besteht der Unterschied zu einem Gerät im Handel das das ganze schon kann?
160€ finde ich schon ziemlich happig, das muss es doch günstiger schon fertig geben oder nicht?

Nunja, wie ich bereits schrieb. Billig ist das Ganze nicht und die Fertiggeräte sind auch günstiger.
Wenn Du das GPS-Modul (25,-€) und den Lichtsensor (10,-€) wegläßt, geht das schonmal 35,-€ billiger.
Dann noch ein kleines Display, was man auch mit dem UNO/Nano ansteuern kann und es wird nochmal 30,-€ billiger.

WLAN wäre als Übertragung zwischen Basis und Außensensor eigentlich schon overkill.
Ich habe hier schon mit NRF24L01-Modulen getestet. Die senden ebenfalls im 2.4GHz Bereich und verbrauchen sehr wenig Strom.
Diese Module wären meine Wahl, wenn ich eine Funkverbindung haben wollte.
Wie ich aber oben bereits geschrieben habe, will ich gar keine Funkverbindung. Ich ziehe ein Kabel (USB-Kabel als flache Variante) vor, weil ich so auch das Problem der Spannungsversorgung in den Griff bekomme.
Bei der Funk-Variante müsste ich mit Batterien oder Akkus arbeiten. Batterien muss man austauschen. Akkus laden, evtl. mit Solarzelle. Akkus altern relativ schnell und werden unzuverlässig.
Außerdem gilt es zusätzliche Probleme bei der Funkverbindung in den Griff zu kriegen: Sendezeitbegrenzung (ich habe mal was von max. 10% Kanalbelegung gelesen) und andere Sender (WLAN, Bluetooth, etc.).
Du siehst, ich habe mir schon darüber Gedanken gemacht und bin zu dem Schluss gekommen, dass ein Kabel (für mich) die bessere Alternative ist.

Heute ist das 5m USB-Kabel (flache Ausführung) angekommen.
Das ist sogar flacher als ich dachte. Nur mal als Vergleich: der Micro-USB-Stecker ist vorne 1.8mm dick und das flache USB-Kabel ist nur 1.3mm dick.
Wenn jetzt auch noch die Übertragung fehlerfrei funktioniert, dann bin ich sehr zufrieden.

Edit: Gerade angeschlossen. Es funktioniert!

Der "Trick" dabei ist ja, dass es sich nicht um eine USB-Übertragung handelt.
Auf beiden Seiten des USB-Kabels befinden sich RS-485 Wandler (siehe obiges Fritzing-Bild), die sind für eine Leitungslänge von bis zu 1200m ausgelegt.
Da sind die 5m eher am unteren Ende.
Ich hatte eher Bedenken wegen der 5V-Spannungsversorgung, weil ich die ja auch über das Kabel zum Nano schicke. Aber auch da ist alles im grünen Bereich (4.85V).

Ein kleines Update: Der Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensor sowie der Regenmengensensor sind mittlerweile angekommen.

Da sind jeweils Funkmodule (433.92 MHz) eingebaut und da ich noch ein paar von den Billig-Funkmodulen für 433 MHz hier rumliegen habe, musste das mal getestet werden. Im Internet habe ich ein Funksniffer-Programm gefunden und sogar ein PDF mit dem kompletten Übertragungsprotokoll von der Wetterstation bzw. der Sensoren.
Damit war es mir möglich, die Funktelegramme zu decodieren. Die Werte werden auch korrekt übertragen, nur die Reichweite lässt zu wünschen übrig. Der Regensensor schafft immerhin 3m, aber der Windsensor kommt nur auf ca. 1m.
Ich vermute, dass das an meinem Billig-Funkmodul (mit Superregenerativ-Empfänger) liegt. Ich habe mir jetzt mal ein Funkmodul (mit Superheterodyne-Empfänger) bestellt, um mal den Unterschied zu sehen.

Heute ist das Funkmodul (mit Superheterodyne-Empfänger) angekommen und ich kann einfach nur sagen: Super!
Das ist ein Unterschied wie Tag und Nacht. Der Wind- und der Regensensor befinden sich jetzt auf unserem Balkon (gut 10m entfernt und ein paar Wände dazwischen).
Empfang ist 1A. Keine Probleme mehr!
Man liest im Netz ja immer wieder davon, aber ich hatte meine Zweifel. Nun kann ich das aus 1.Hand bestätigen.
Wer also vorhat mit dem Arduino eine Funkübertragung zu betreiben, der sollte sich unbedingt einen Superhet-Empfänger zulegen. Die 3EUR mehr sind es auf jeden Fall wert.

Ein ähnliches Starter-Kit (mit einem UNO) hatte ich mir vor einiger Zeit gekauft.
Meiner Meinung nach packt Elegoo da schon ein gutes Set zusammen und auch wenn die deutsche Übersetzung bei den Beispielen nicht so ganz gut ist, sind die Beispiele ansonsten gut nachzubauen.

Ich denke, wenn Du Dich für Elektronik und die Programmierung der Mikrocontroller interessierst, dann ist das schon ein guter Anfang.
Dank der ganzen Steckverbindungen und dem Steckbrett kommt man ja (erstmal) ohne löten aus. Zumindest den Prototypen bekommt man so hin.

Ich habe heute mal mit AutoIt eine grafische Auswertung für die Beleuchtungsstärke geschrieben. Es werden die Maximalwerte ermittelt und die Kurvenstatistik entsprechend skaliert.
Rausgekommen ist dann für den heutigen Tag (stark bewölkt) diese Grafik:
Sonneneinstrahlung.png
Ja, hier wurde es heute nicht so richtig hell. Die beiden Spitzen zwischen 12 und 13 Uhr sind nicht wirklich hell. Die letzten Tage hatte ich hier schon Werte von über 20.000 Lux gemessen.
Naja, aber zum testen meines Programms hat es gereicht. Solche Statistiken werde ich dann für alle Werte (Windgeschwindigkeit, Regenmenge, Temperatur, Luftfeuchtigkeit) vorsehen.
Mal schauen, irgendwie muss ich die Funktion noch universeller schreiben, sodass sie für alle Werte funktioniert.