Air Sensor Modul

Einleitung

Das Air Sensor Modul erfasst die Lufttemperatur (Thermometer), die relative Luftfeuchte (Hygrometer) und den absoluten Luftdruck (Barometer).

Die Temperaturmessung sollte frei von Einflüssen der Umgebung stattfinden. Am besten eignet sich hierfür ein relativ freier Platz mit genügend Abstand zu Gebäuden oder hohem Bewuchs auf einem für die Region natürlichen Untergrund (in der Regel eine kurz gehaltene Grasfläche). Gemessen wird die Lufttemperatur standardmäßig immer in zwei Metern Höhe über Grund. Die Messung erfolgt jedoch nicht in der prallen Sonne, sondern abgeschattet mit einem modernen, aus Kunststoff gefertigten, gut ventilierten Lamellen-Strahlungsschutz. (Quelle).

Das Hygrometer erfasst in einer Wetterstation üblicherweise die relative Luftfeuchte in %. Für den Aufstellungsort des Hygrometers gilt das gleiche wie für das Thermometer. Üblicherweise befindet sich das Hygrometer daher in der gleichen Wetterhütte oder dem gleichen Strahlungsschutz wie das Thermometer.

Der Luftdruck wird mit einem Barometer gemessen. Anhand des Luftdrucks können z. B. Wetterveränderungen erkannt werden. So steht ein sinkender Luftdruck oft für schlechteres Wetter (Tiefdruck) und ein steigender Luftdruck für gutes Wetter (Hochdruck). Der Luftdruck ist höhenabhängig. Auf Wetterkarten oder Wetterdaten von offiziellen Stationen findet man grundsätzlich den „reduzierten“ oder relativen Luftdruck, der auf die Meereshöhe umgerechnet wurde. Möchte man also den selbst gemessenen Luftdruck mit anderen Stationen oder Werten vergleichen, muss man den reduzierten Luftdruck verwenden. (Quelle).

Verfügbare Messwerte

Mit dem Air Sensor Modul stehen an der Wetterstation folgende Werte zur Verfügung:

Variable	Einheit	Quelle	Beschreibung
temperature	°C	Messung	Außentemperatur
temperature_avg2m	°C	Berechnung	Ø Temperatur 2 Min
temperature_avg10m	°C	Berechnung	Ø Temperatur 10 Min
dewpoint	°C	Berechnung	Taupunkt
feelslike	°C	Berechnung	Gefühlte Temperatur
heatindex	°C	Berechnung	Hitzeindex
humidity	%	Messung	Rel. Luftfeuchtigkeit
humidity_abs	g/m³	Berechnung	Abs. Luftfeuchtigkeit
pressure_abs	hPa	Messung	Luftdruck absolut
pressure_rel	hPa	Berechnung	Luftdruck relativ
pressure_trend_1h		Berechnung	Trend Luftdruck 1h
pressure_trend_3h		Berechnung	Trend Luftdruck 3h
vapourpressuredeficit	hPa	Berechnung	Sättigungsdefizit

Verwendeter Sensor

Die Wetterstation kann mit 3 verschiedenen Sensoren betrieben werden. Je nach Genauigkeitsanforderungen wählt man aus folgenden Typen:

Sensor BME280

Er kann alle 3 Messgrößen (Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck) erfassen und ist sehr weit verbreitet. Hersteller des Sensors ist Bosch. Der Sensor misst ordentlich, und ist für die reine Anwendung „Smarthome“ gut geeignet. Für Hobbymetherologen sind die Abweichungen insbesondere bei kalten Temperaturen (kleiner 0 Grad) als auch bei hohen Luftfeuchtigkeiten >90% recht hoch (+/-2 Grad C). Das liegt daran, dass der Sensor die Temperatur in seinem Chip misst und so die Arbeitstemperatur des Chips teilweise mit erfasst. Ansonsten kann er Temperaturen mit +/- 0,5 Grad erfassen, die Genauigkeit der Luftfeuchtigkeit ist +/- 3%. Dieser Sensor ist eigentlich nicht für die Verwendung im ungeschützten Außenbereich konzipiert worden. Er wird daher in dieser Bauanleitung speziell gegen Feuchtigkeit (Kondensation) sowie Schmutz und Staub geschützt.

Datenblatt

Spezifikation

• Allgemein:
  • Betriebsspannung: 1.71 – 3.6V
• Luftfeuchtigkeit
  • Response time (τ63%) 1s
  • Accuracy tolerance ± 3 % relative humidity
  • Hysteresis ≤ 2 % relative humidity
• Luftdruck
  • Pressure range 300 … 1100 hPa (equiv. to +9000…-500 m above/below sea level)
  • Relative accuracy ±0.12 hPa, equiv. to ±1 m (950 … 1050hPa @25°C)
  • Absolute accuracy typ. ±1 hPa (950 …1050 hPa, 0 …+40 °C)
• Temperatur
  • Operating range Operational -40°C – +85°C
  • Full accuracy 0°C – +65°C with ± 0.5°C

Sensor SHT30

Der SHT30 erfasst Temperatur und Luftfeuchte. Hersteller des Sensors ist das Schweizer Unternehmen Sensirion. Zur Erfassung des Luftdrucks wird zusätzlich der günstige Sensor BMP280 von Bosch verbaut. Der SHT30 erfüllt auch die Ansprüche von Hobbymetherologen – er bietet über den gesamten Messbereich hochgenaue Messwerte: Temperatur mit +/- 0.1 Grad, Luftfeuchtigkeit mit +/- 2%. Der Sensor ist speziell für den Außenbereich konzipiert und wird entsprechend geschützt. Wer auch im Winter genaue Wetterdaten erfassen möchte, sollte mindestens den SHT30 einsetzen.

Datenblatt

Spezifikation

• Fully calibrated, linearized, and temperature compensated digital output
• Wide supply voltage range, from 2.15 V to 5.5 V
• I2C Interface with communication speeds up to 1 MHz and two user selectable addresses
• Typical accuracy of 2.0 %RH and 0.1 °C for SHT30
• NIST traceability
• Very fast start-up and measurement time

Sensor SHT35

Der SHT35 erfasst wie der kleine Bruder SHT30 Temperatur und Luftfeuchte. Hersteller des Sensors ist das Schweizer Unternehmen Sensirion. Zur Erfassung des Luftdrucks wird zusätzlich der günstige Sensor BMP280 von Bosch verbaut. Der SHT35 erfüllt auch die gehobenen Ansprüche von Hobbymetherologen – er bietet über den gesamten Messbereich hochgenaue Messwerte und ist im Vergleich zum SHT30 insbesondere bei der Luftfeuchte nochmals genauer – insbesondere im Bereich > 90%: Temperatur mit +/- 0.1 Grad, Luftfeuchtigkeit mit +/- 1.5%. Der Sensor ist speziell für den Außenbereich konzipiert und wird entsprechend geschützt. Wer auf die genauere Erfassung der Luftfeuchtigkeit insbesondere im hohen Bereich Wert legt, sollte sich für den SHT35 gegenüber dem SHT30 entscheiden.

Datenblatt

Spezifikation

• Fully calibrated, linearized, and temperature compensated digital output
• Wide supply voltage range, from 2.15 V to 5.5 V
• I2C Interface with communication speeds up to 1 MHz and two user selectable addresses
• Typical accuracy of 1.5 %RH and 0.1 °C for SHT35
• NIST traceability
• Very fast start-up and measurement time

Materialliste

Folgende Komponenten werden zum Zusammenbau des Sensor Moduls benötigt:

Anzahl	Bauteil	Bezug
1 Stk.	Misol / Ecowitt Weathershield	Ali Express / Amazon
1 Stk.	3D-Druck Adapter für Weathershield	siehe unten
1 Stk.	Platine Air Sensor Modul	siehe unten
4 Stk.	Edelstahl Senkkopfschraube Kreuzschlitz, M3x10mm	Ali Express / Amazon / Baumarkt
2 Stk.	Edelstahl Senkkopfschraube Kreuzschlitz, M3x12mm	Ali Express / Amazon / Baumarkt
2 Stk.	Kabeleinführung IP68, PG07 (M12)	Ali Express / Amazon / Baumarkt
1 Stk.	Gelenkrohrschelle, 25-28mm / 3/4″	Ali Express / Amazon / Baumarkt
1 Stk.	Edelstahl Senkkopfschraube DIN7991, M8x30mm	Ali Express / Amazon / Baumarkt
2 Stk.	Edelstahl Sechskantmutter M8	Ali Express / Amazon / Baumarkt
1 Stk.	Edelstahl Unterlegscheibe M8x16x1,5mm	Ali Express / Amazon / Baumarkt
4 Stk.	PCB Schraubklemmen, 2 Pin, 2,54mm	Ali Express / Amazon
1 Stk.	Buchsenleiste, 1×6 Pin, 2,54mm	Ali Express / Amazon
(1 Stk.)	Option: BME280 Temperatur Feuchtigkeit Luftdruck Sensor	Ali Express / Amazon
(1 Stk.)	Option: SHT30 (ComWinTop) Temperatur Feuchtigkeit Sensor	Ali Express / Amazon
(1 Stk.)	Option: SHT35 (ComWinTop) Temperatur Feuchtigkeit Sensor	Ali Express / Amazon
(1 Stk.)	Option: BMP280 Luftdruck Sensor	Ali Express / Amazon
1 Stk.	PTFE Membrane, 13mm / 0.22µm	Ali Express
2 Stk.	Hex Distanzhülse / Abstandshalter, M2, Thr 4mm, L 11mm	Ali Express / Amazon
1 m	Kabel Litze 4-adrig, 22AWG, UV-best.	Ali Express / Amazon / Baumarkt
4 Stk.	Kabelbinder 3x150mm, UV-best.	Ali Express / Amazon / Baumarkt

3D-Druck-Teile und Platine

Für den Zusammenbau wird ein 3D-Druck-Adapter für den Weathershield benötigt. Im Bausatz ist dieser Adapter natürlich enthalten. Er kann aber auch selbst gedruckt werden – dabei ist aber unbedingt darauf zu achten, dass ein wetterbeständiges, UV-Licht-resistentes Filament verwendet wird. Besonders gut geeignet ist ASA, was aber leider schwierig zu drucken ist.

Die 3D-Druckfiles können hier heruntergeladen werden: https://github.com/mschlenstedt/WeatherLox/tree/main/case/weatherlox-air

Des weiteren ist zum Aufbau eine Platine notwendig, die das Sensormodul aufnimmt und die Verbindung zum Steuerungsmodul herstellt. Auch diese ist im Bausatz natürlich enthalten. Sie kann aber auch selbst bei einem entsprechenden Dienstleister hergestellt werden. Auch ein Nachbau auf einer Lochrasterplatine ist natürlich möglich.

Die Files (Gerber Files, Fritzing, Schaltplan, etc.) können hier heruntergeladen werden: https://github.com/mschlenstedt/WeatherLox/tree/main/PCB/weatherlox-air

Benötigtes Werkzeug und Verbrauchsmaterial

Zur Montage des Sensors wird folgendes Werkzeug und zusätzliches Verbrauchsmaterial benötigt:

• Lötkolben, Lötzinn, etc. mit möglichst kleiner Lötspitze
• Kleine Spitzzange
• Kreuzschlitz Schraubendreher, Klein
• Schlitz Schraubendreher, Mini
• Imbusschlüssel 6mm
• 13er Maulschlüssel M8
• Abisolierzange
• Pinzette und kleine Schere (Nagelschere)
• Büroklammer
• Alleskleber (transparent und wasserfest!), z. B. UHU oder Patex
• Platinenschutzlack (zur Wetterbeständigkeit – wichtig!)

Den Platinenschutzlack bekommt man im einschlägigen Elektronikfachhandel oder natürlich bei Amazon/Ali Express und Co. Hier einige Beispiele dazu:

• https://www.amazon.de/Isolierlack-Elektroniks-Transparent-Leiterplatten-Steuerplatinen/dp/B0G8GBC7WH
• https://www.amazon.de/Schutzbeschichtung-Schaltkreisdichtmittel-Komponentenisolierung-Feuchtigkeitsschutz-Platinenschutzlack/dp/B0G4JYSP42
• https://www.amazon.de/1DFAUL-Dichtungsmittel-feuchtigkeitsbest%C3%A4ndig-zuverl%C3%A4ssigen-elektronischer/dp/B0FH28QD3R

Den notwendigen Sikaflex 522 Klebstoff bekommt man ebenfalls im Versandhandel. Ihr benötigt ihn an verschiedenen Stellen in weiteren Bauanleitungen. Hier einige Beispiele für den Bezug:

• https://www.amazon.de/dp/B09N7J125B
• https://dichtstofftechnik24.de/Shop/Sikaflex-522-1K-Polymer-Kleb-und-Dichtstoff-300ml-Kartusche-versch-Farben_1
• https://www.klebeshop24.de/Sikaflex-522-300-ml-Kartusche-stahlgrau

Montageanleitung

Als erstes wird die Platine aufgebaut. Zunächst werden die 4 grünen PCB Klemmen auf die Platine gelötet. Anschließend wird noch die 6er Buchsenleiste auf die Platine gelötet.

Nun wird die Stiftleiste an den BME280 bzw. den BMP280 Sensor gelötet. Die Stiftleiste muss auf der Seite sitzen, auf der sich auch der Sensor und die anderen elektronischen Bauteile befindet.

Jetzt muss die Lötarbeit getestet werden! Das ist sehr wichtig, da die nachfolgenden Schritte (Aufbringen des Schutzlackes) nicht mehr rückgängig gemacht werden können! Dazu wird die Steuerungseinheit vom Strom getrennt. Der BMx280 Sensor wird in die Buchsenleiste auf der Air Sensor Platine (er muss in Richtung Platinenmitte zeigen) gesteckt und die Platine entweder mit dem mitgelieferten Kabel oder mit eventuell vorhandenen Jumperkabeln provisorisch an die Platine der Steuerungseinheit angeschlossen. Dabei werden die Klemmen mit der Bezeichnung „Air 1“ bis „Air 4“ an der Platine des Air Sensors mit den Klemmen „Air 1“ bis „Air 4“ auf der Platine der Steuerungseinheit 1:1 verbunden. Etwas weiter unten in der Anleitung finden sich entsprechende Abbildungen, wie die Kabel angeklemmt werden müssen. Wer die Variante mit dem SHT3x Sensor baut, der schließt diesen Sensor nun zusätzlich noch an die Klemmen mit der Bezeichnung „3.3V“ und „I2C“ an. Auch hier befindet sich weiter unten eine Abbildung mit der genauen Kabelbelegung. Nun wird die Steuerungseinheit wieder mit Strom versorgt. Nach dem Booten kann man sich per Webbrowser auf der Oberfläche der Wetterstation einloggen. Man wechselt auf den Tab Devices und schaut unter Task 13 nach, ob der BMx280 Sensor aktiviert („Enabled“) ist und auch Messwerte anzeigt (Hinweis: der BMP280 zeigt hier keine Luftfeuchtigkeit an – das ist korrekt so). Alternativ kann man den I2C Bus nach dem Sensor scannen, in dem man unter Tools –> I2C Scan schaut, ob ein BMx280 Sensor unter der Adresse 0x76 gefunden wird.

Wenn alles in Ordnung ist, wird die Steuerungseinheit wieder vom Strom getrennt und die Air Sensor Platine sowie ggf. der SHT3x Sensor wieder abgeklemmt. Der BMx280 Sensor wird nun auch noch einmal aus der Buchenleiste genommen.

Nun wird der Platinen-Schutzlack auf die beiden Platinen – also die Platine des BMx280 Sensors und auf die Platine des Air Moduls – aufgebracht. Da beide Platinen der Umgebungsluft permanent ausgesetzt sind, ist dieser Schritt sehr wichtig! Ansonsten fangen die Platinen nach kurzer Zeit an zu korrodieren. Die Platinen werden mit dem Schutzlack auf beiden Seiten bestrichen – dabei aber natürlich alle Kontaktstifte auslassen! Der Lack ist sehr flüssig und lässt sich sehr gut mit einem Wattestäbchen auftragen, in dem man einen Tropfen aufbringt und diesen leicht verstreicht. Diesen Vorgang wiederholt man, bis die gesamte Platine ausreichend mit Lack bedeckt ist. Aber ACHTUNG! Auf gar keinen Fall darf Lack auf den eigentlichen Sensor des BMx280 (siehe rote Umrandung auf dem Bild unten) aufgebracht werden! Verstopft die winzige Bohrung, ist der Sensor kaputt! Nachdem der Lack aufgebracht ist, sind Lötarbeiten nicht mehr möglich!

Ist der Lack komplett getrocknet geht es mit der Schutzmembran für den BMx280 Sensor (siehe rote Umrandung auf dem Bild oben) weiter. Dazu wird eine wasserdampfdurchlässige PTFE Membran mit einer Porenweite von 0,22 µm verwendet. Dem Bausatz liegen zwei dieser Membranen bei (1x Reserve). Zunächst steckt man die beiden Schrauben der Hex Distanzhülse (Abstandshalter) von oben durch die Platine des BMx280 Sensors. Dann schneidet man aus der Membrane seitlich zwei kleine Aussparungen mit einer Nagelschere aus, sodass man die Membrane genau zwischen die beiden Schrauben klemmen kann. Die Membrane dabei nur mit einer Pinzette anfassen, damit sie nicht durch das Fett der Finger verstopft wird.

Nun werden die beiden Hex Distanzhülsen (Abstandshalter) auf die Schrauben aufgeschraubt und damit gleichzeitig die Membrane fixiert.

Nun muss ein (!) kleiner (!) Tropfen Alleskleber auf die Oberseite der Platine am Rand gegeben werden und damit der überstehende Teil der Membrane auf der Oberseite an der Platine festgeklebt werden. Bis der Kleber fest getrocknet ist, fixiert man die Membrane mit einer Büroklammer. Auf keinen Fall zu viel Kleber nehmen! Die Membrane muss wasserdampfdurchlässig bleiben, sonst kann der Sensor nicht richtig messen!

Nachdem der Kleber getrocknet ist, wird die Büroklammer wieder entfernt und der Sensor in die Buchsenleiste auf der Air Sensor Platine eingesetzt. Die beiden Hex Distanzhülsen (Abstandshalter) werden mit den beigelegten Muttern von unten auf der Platine verschraubt.

Als nächstes wird der 3D-Druck-Adapter, der später das Weatherhshield hält und auch die Platine aufnimmt, montiert. Zunächst wird die M8x20mm Senkkopfschraube von oben in den Adapter eingesetzt und mit der Mutter von unten fixiert. Nun werden bei der BME280-Variante eine, bei der SHT3x Variante zwei Kabeldurchführungen von unten in den Adapter eingesetzt und durch Drehen mit der beiliegenden Kunststoffmutter von oben handfest eingeschraubt. Ggf. muss man dazu die Sechskantmutter der mittleren Schraube noch einmal etwas lockern oder auch die Kappen der Kabeldurchführungen abgenommen werden, damit zur Montage der Mutter genügend Platz vorhanden ist – es geht recht eng zu.

Der folgende Abschnitt ist nur relevant für die Varianten mit SHT3x Sensor. Wird die BME280-Variante verwendet, so bleibt der Steckplatz für den SHT3x Sensor im 3D-Druck-Adapter einfach leer/unbesetzt.

Am SHT3x Sensor wird vorsichtig die Kabeldurchführung am Nun wird die zweite Kontermutter aufgeschraubt und anschließend die Rohrschelle montiert. Mit der zweiten Kontermutter wird die Rohrschelle fest gekontert/verschraubt. Dreht die Kabeldurchführung ca. 45° versetzt zur Rohrschelle, dann habt ihr später für das Kabel etwas mehr Platz.

Der Adapter ist nun fertig. Nun wird die Air Sensor Platine mit den vier M3x10mm Kreuzschlitzschrauben auf dem 3D-Druck-Adapter fest verschraubt. Zum Anschluss wird das 4-adrige Kabel abisoliert (nur soviel wie nötig – ca. 20 mm. Der Schutzmantel soll so weit es geht bestehen bleiben!), von unten durch die Kabelverschraubung durchgeführt und an die Klemmblöcke der Air Sensor Platine mit der Bezeichnung „Air“ angeklemmt.

• Air 1: Rot
• Air 2: Schwarz
• Air 3: Gelb
• Air 4: Weiß

Jetzt werden auch die Klemmen noch mit Platinenschutzlack vergossen, nachdem die Schrauben fest angezogen worden sind und das Kabel sicher sitzt. Hinweis: Die Klemmen mit der Bezeichnung „3.3V“ und „I2C“ sind für spätere Erweiterungen und dürfen nicht vergossen werden (sonst wären sie später nutzlos). Zu guter Letzt wird das Kabel nun durch Anziehen der Kabeldurchführung fest arretiert.

Nun wird der Weathershield auf den Adapter aufgesetzt und mit den beiden M3x12mm Kreuzschlitzschrauben angeschraubt. Mit der Rohrschelle wird der Sensor am Halterungssystem auf einem der beiden unteren Äste innen montiert.

Das Kabel wird nun sauber nach unten zur Steuerungseinheit verlegt (Hinweis: Die Kabel sollten erst mit Kabelbinder fixiert werden, wenn die Montage der gesamten Wetterstation abgeschlossen ist – so lassen sich Kabel bündeln). Das Kabel wird mit einem Bogen nach unten in die Steuerungseinheit eingeführt. So ist sichergestellt, dass Tropfwasser, welches sich am Kabel sammelt, von der Kabeldurchführung weg geleitet wird. Das Kabel wird entsprechend gekürzt und im Inneren ca. 10 cm abisoliert. So bleibt genügend Reserve zur Verlegung.

Anschließend wird das Kabel analog zum Sensor an der Steuerungseinheit an den Klemmen mit der Bezeichnung „Air“ angeklemmt.

• Air 1: Rot
• Air 2: Schwarz
• Air 3: Gelb
• Air 4: Weiß

Die Steuerung kann nun wieder mit Strom versorgt werden. Es mus nun nochmals kontrolliert werden, ob entsprechende Messwerte im Tab Devices angezeigt werden (siehe oben).

Fertig!