Luft und Wetter Daten auf einer Node-RED Map

Feinstaubmessung Südschleswig

Im Umfeld eines kleinen Forschungsprojekts zu Fiware (fiware.org) ist eine Node-RED Map entstanden die eine lokale Visualisierung der Luftdaten.info Daten entstanden.

Es werden die Daten eines Bereichs über die API von Luftdaten.info gelesen und mittels dem Node-RED Node Worldmap auf einer Map angezeigt, ge nach Sensor Status werden die Pins eingefärbt und im Message Objekt werden dort die jeweiligen Daten in einer Info Box gezeigt.

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Smarte LoRaWAN Umweltstation in Arnis

Schon längere Zeit bin ich mit der Idee schwanger gegangen, im Garten in Arnis an der Schlei eine Umwelt- und Wetterstation zu errichten. Es wurde geplant und teilweise wieder verworfen, bis das Konzept am Ende rund war. Anfang des Jahres war es endlich soweit. Ich begann, mein Projekt umzusetzen.

Die Basis der Umweltstation sind 4 gebrauchte Paletten, die hochkant gegeneinander gestellt wurden. Oben und unten mit stabilen Winkeln versehen, werden sie die nächsten Jahre als stabile Basis für die Station und das eingebaute Hochbeet ihren letzten Dienst verrichten.

Hier ist das Hochbeet an den Seiten bereits mit Blumen bepflanzt. Oben im Gemüsebereich wachsen die Radienschen, die Wurzeln, der Schnittlauch und der Kohlrabi.

An der Umweltstation habe ich das größte verfügbare Solarpanel (300 W) installiert. Im Winkel von 30° genau nach Süden geneigt, produziert es jetzt den nötigen Strom für meine schon aktiven und noch geplanten Abnehmer. Die Kapazität des Solarmoduls ist im Moment noch ein bisschen „too much“; ich habe aber natürlich berücksichtigt, dass im Winter nur ca. 1/8 der Stromausbeute des Sommers produziert wird. Somit reicht der mit dem Solarmodul gewonnene Strom auch im Winter.

Schaltkasten mit dem 120 Ah Akku und dem Laderegler. Oben über der Batterie sieht man das LoRaWAN Modul zum Übertragen des Ladestandes.

Bei der Auslegung des Solarpanels und der Speicherbatterie habe ich mich am Setup von Christian (https://network.cdresel.de) orientiert. Ich denke, dass die von mir eingesetzten Größen des Panels und der Batterie für meine Zwecke mehr als ausreichend sein werden.

Zum permanenten Überprüfen der ordnungsgemäßen Funktion des Panels und der Batterie habe ich ein Zusatzmodul für den Solarregler installiert. Der Ladezustand der Batterie wird mit Hilfe eines VE.Direct LoRaWAN Moduls ausgelesen und stündlich an ein Portal im Internet geschickt, wo die ermittelten Daten visualisiert werden.

Systemstatus der Stromausbeute des Solarmoduls

An der Batterie ist ein 12V/ 5V Spannungswandler angeschlossen, der den gewandelten 5V Strom an einen ARM Cortex-M0+ Prozessor aus der SAM D21 Familie von Microchip (MCU senseBox) weiterleitet. Die senseBox wurde ausgewählt, weil man die Sensoren und das LoRaWAN Modul steckbar montieren kann. Es entfällt jegliche Lötarbeit, was mir sehr entgegen kommt.

An dieser MCU sind am I2C Bus mehrere verschiedene Sensoren angeschlossen:

  • Druck- und Temperatursensor BMP280
  • Lichtsensor TSL45315
  • UV Lichtsensor VEML6070
  • Temperatur- und Luftfeuchtesensor HDC1080

Weiterhin ist am UART/Serialport ein Feinstaubsensor SDS011 angeschlossen. Somit werden im Moment 7 verschiedene Sensorwerte ermittelt und verarbeitet.

Eine Erweiterung der Wetterstation um Regen- und Windmessung ist bereits in Planung.

Die ermittelten Sensordaten werden mit einem LoRaBee Modul per LoRaWAN Protokoll an das TTN versendet und von dort per HTTP an das openSenseMap Portal weitergeleitet.

In den oberen Bereich der hochgestellten Paletten habe ich einen Bretterboden eingezogen und den entstandenen Raum mit Folie ausgeschlagen. Der hierdurch entstandene Raum ist mit 8 Sack Hochbeeterde aufgefüllt worden. Somit ist ein prima Hochbeet entstanden, welches vor ein paar Wochen passend zum Frühjahr mit Gemüsesamen (Radieschen, Kohlrabi, Wurzeln und Schnittlauch) eingesäät worden ist.

Für die Zukunft ist geplant, im Hochbeet die Temperatur und die Feuchtigkeit zu messen. Bei zu geringer Feuchtigkeit soll dann automatisch eine Pflanzenbewässerung eingeleitet werden. Die Steuerung der Bewässerung wird ein Arduino übernehmen, der seine Aktivitäten natürlich auch per LoRaWAN mitteilt.

Der Betrieb der Umweltstation ist kostenneutral. Die Software der Station ist Open-Source, der Strom zum Betrieb der Station wird wie hier beschrieben mit einem großen Solarmodul erzeugt und in einer Batterie zwischengespeichert, das Wasser zum Gießen der Pflanzen im Hochbeet wird aus Regenwasser gewonnen und die erzeugten Daten werden per LoRaWAN Funk ins Internet geschickt.


Node-RED und die Meta Daten der Nodes

Wir haben nun schon die Nucleon Wetter Nodes in einem Node-RED Flow, so das diese ihre Wetter Daten in die InfluxDB senden. Jeder Node liefert aber auch noch eine Handvoll Meta Daten über den Standort und interessante Daten zur Übertragung. Diese Daten wollen wir natürlich auch aufbereiten und zur Anzeige bringen.

Übersicht des vollständigen Flows mit Meta Daten

Der oben gezeigte Node-RED Flow ist das Ziel dieses Beitrags. Wir werden auch hier jeden Node besprechen so das am Ende ein Nachbau in der eigenen Node-RED Instanz möglich wird.

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Node-RED und der Wetter-Flow für den BaseNode

Wir haben im Artikel Node-RED zur Verarbeitung der TTN Daten unsere Node-RED Umgebung eingerichtet, jetzt werden wir die ersten Schritte gehen um aus dem The Things Network (TTN) die ersten Daten abzuholen.

Grundlegende Funktionsweise

Node-RED arbeitet mit grafischen Ablaufplänen den sogenannten Flows. In diesen Flows werden diverse Nodes eingesetzt die unterschiedliche Funktionen beinhalten. Im folgenden werde ich die verwendeten Nodes vorstellen.

Die verwendeten Nodes in Node-RED

Der Wetter Flow in der Übersicht
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Node-RED zur Verarbeitung der TTN Daten

Die Node-RED Plattform eignet sich hervorragend um schnell Daten von A nach B zu bekommen und sie zwischen durch anzupassen, transformieren oder mit anderen Daten anzureichern, als sie auch auf unterschiedliche Datensenken zu verteilen.

Ein klassischer ETL Prozess mit grafischer Oberfläche.

Die Einrichtung der Datenbanken können wir an anderer Stelle mal genauer besprechen, hier soll es erst einmal um Node-RED gehen.

Installation

Node.js und npm

Um Node.JS auf dein System zu installieren gibt es viele Möglichkeiten, ich möchte an dieser Stelle die Installation unter Debian kurz erklären. Wer schon die aktuelle Version von Node.JS und npm laufen hat kann zur Installation von Node-RED weiter gehen.

Du musst Node.js PPA zu deinem System hinzufügen, welches auf der offiziellen Website von Nodejs bereitgestellt wird. Wir müssen auch das Software-Properties-Common-Paket installieren, falls es nicht bereits installiert ist. Du kannst entweder die aktuelle Version Node.js oder die LTS-Version installieren.

Eine gute Idee ist es auch für Node-RED einen eigenen User anzulegen, da einige Nodes nicht sauber installiert werden können wenn Node-RED unter root installiert wurde. Grade beim RaspberryPI sind Probleme bekannt wenn Node-RED unter dem User pi installiert ist.

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Wettermonster eine Anleitung für die eigene Wetterstation

Einfach, Günstig, Gut…

…das ist die Idee hinter Wettermonster. Jeder Interessierte soll die Möglichkeit bekommen, selbst eine Wetterstation zu betreiben.

So wirbt Wettermonster auf ihrer Seite und hält das Versprechen auch ein.

Jan Dopheide hat im Rahmen einer Jugend-forscht-AG an seiner Schule und des Wettbewerbs Schüler experimentieren eine Wetterstation gebaut und im Nachgang dann die Webseite aufgebaut in der sehr gut erklärt wird wie man zu einer eigenen Wetterstation kommt.

Wir haben uns im Verein Nucleon e.V. nun zum Ziel gesetzt diese Wetterstation zu einer autonom arbeitenden LoRaWAN Wetterstation auszubauen. Das interessante an der Seite ist das neben dem Tutorial auch eine Karte mit den Stationen aufgebaut wurde an die man dann seine Daten senden kann. Da der verwendete MCU seine Daten aber mittels WLAN an die Seite sendet haben wir eine kleine Schnittstelle bauen müssen um die Daten unserer Stationen über LoRaWAN, dem The Things Network und Node-RED dann auch zu Wettermonster senden können.

Dieses werden wir hier nun näher beschreiben.

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Der Sketch für den Nucleon BaseNode

Der BaseNode mit BME280 als Wetterstation

Hardware

  1. Nucleon BaseNode (Aufbau hier)
  2. BME280 (Datenblatt)

Auf dem letzten Workshop haben wir nun den Nucleon BaseNode gebaut, hier geht es nun um den Sketch der zum Betrieb notwendig ist.

Der Sketch ist so aufgebaut das wir unterschiedliche Wetter/Klima Nodes in einer TTN Application verarbeiten können. Somit haben wir die Möglichkeit die entstehenden Daten geregelt zu empfangen und in unsere InfluxDB zu speichern. Auf diese kann dann unser Wetter Dashboard zugreifen und die Werte aller Nodes anzeigen.

Der Sketch kann natürlich auch an jede beliebige andere TTN Application seine Daten senden, aber mit der von uns bewirtschafteten Application ist die Datenverarbeitung schon geregelt.

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Matrix Server Ausfall

Zur Zeit haben wir einen Matrix Server Ausfall

Unser Server in der Cloud spielt zur Zeit mit uns Schrödingers Server, es möchte herunterfahren zum Neustart und hängt zwischen Leben und Tot fest.
Der Support ist informiert uns hat wohl ein ähnliches Problem. Nun ja wenn es günstig sein soll hat man halt auch nur den günstigen Service 🙁

UPDATE: Der Server hat es nun nach 21 Stunden endlich geschafft in den Status stopped zu stehen. Nun kann die Wartung erfolgen

Ende Meldung: Wir sind nun wieder unter Matrix erreichbar iotde:matrix.ffslfl.net
Durch ein Problem im RZ konnte der Server 21 Stunden lang nicht sauber runter fahren.

Workshop Nucleon BaseNode bauen

Im Rahmen unseres Grundlagen Workshops im November 2018 haben wir auch den Nucleon BaseNode gebaut, um auch etwas in der Hand zu haben und nicht nur trockene Theorie vorgetragen zu bekommen.

Der Nucleon BaseNode besteht aus einer Grundplatine die von Wijnand erstellt worden ist. Einem Arduino 328 mini pro 3,3V/8MHz so wie dem LoRa Modem RFM95W von HOPERF.  Als Stromversorgung wird ein LiPo Akku genutzt der über ein kleines Lademodul angeschlossen ist. Damit wir nicht nur die Basis Funktionalität haben und auch ein wenig Daten erfassen können ist ein BME280 Sensor von Bosch verbaut worden. Noch ein kleines Gehäuse und einige Kleinteile, die in der Materialliste aufgeführt sind komplettieren den Node.

1. Energie sparen, dem Arduino die Power LED entfernen

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