Wetterstation

Faszination Wetter

Morgendämmerung, 10. Oktober 2011, Monschau-Mützenich

Wetter ist schön oder schlecht, zu kalt oder zu warm, aber selten langweilig, häufig einfach schlichtweg faszinierend und leider auch manchmal bedrohlich.

Anfang der 1980er-Jahre wurde mein Interesse auf die Möglichkeit gelenkt auch als Amateur Bilder von Wettersatelliten zu empfangen. Damals umkreisten TIROS-N, die ersten NOAA- und METEOR-Satelliten auf einer erdnahen Umlaufbahn die Erde und es gab den geostationären METEOSAT. Rudy Tellert (DC 3 NT)(*) veröffentlichte 1979 in den  (VHF Communications, Zeitschrift für den VHF-UHF-Amateur) eine Empfangsanlage für METEOSAT, die die empfangenen Bilder auf einer selbstgebauten Fax-Maschine ausgab.

Der Bau einer solchen Empfangsanlage mit 1.1m Parabolspiegel und viel benötigtem mechanischem Geschick lag damals außerhalb zeitlicher und finanzieller Möglichkeiten. Es blieb also erst einmal bei einem Wunsch. Trotzdem: Ebenfalls 1979 veröffentlichte Wolfgang Kurz (DK 2 RY) einen Mikrocomputer auf Basis des Z80-Prozessors für den Amateurfunk, einschließlich einer Speicherplatine so daß insgesamt 64kByte addressiert werden konnten. Schon durchaus interessant für einen möglichen Bildspeicher. RAM-Bausteine waren damals sündhaft teuer, wenig Speicher für viel Geld. Nachfolgend gab es bis 1981 hinein Veröffentlichungen von Tellert für eine Empfangsanlage mit Bildröhre. Die Bildröhre diente dazu, einen Film zu belichten. Dazu wurde der Strahl der Bildröhre entsprechend des Fortschritts des übermittelten Bildes von einer Ablenkeinheit angesteuert, also mit 2 Zeilen pro Sekunde. Anschließend mußte der Film entwickelt werden, um das Bild zu erhalten.

Der Wunsch nach einem digitalen Bildspeicher und sofortiger Bildwiedergabe auf einem Monitor wuchs. Sowohl das Projekt von Kurz als auch eigene Experimente mit einer Z80-Platine, dem in den 1980er-Jahren vom  vertriebenen  , zielten immer mehr auf die Planung eines RAM-Speichers, welcher doch etliche hundert Zeilen des Bildes mit einer Auflösung von 8 Bit aufnehmen sollte. Aber RAM blieb teuer und auch noch recht langsam. Grundig hatte in den 1990er-Jahren zwar einen professionellen Meteosat Receiver (MST 100) entwickelt, dieser war aber entsprechend teuer.

Der VHF-Nachsetzer von Tellert (UKW-Berichte 2/79) wurde nachgebaut (um einmal mit etwas zu beginnen) und es wurden mit einer einfachen Antenne die WFAX-Signale empfangen. Damit war zwar noch kein Bild vorhanden, aber die Idee war, den eigenen unlängst erworbenen Apple II Computer hierfür zu benutzen. Das WFAX-Signal (nach der AM-Demodulation) wurde einem A/D-Wandler zugeführt, die erzeugten 8-Bit Daten wurden mit dem Apple II eingelesen. Die Präsentation des Bildes auf dem Monitor wäre damit möglich gewesen, jedoch war die Graphik beschränkt auf "schwarz" und "weiß", also keine Graustufen. Graustufen näherungsweise zu erzeugen ist jedoch mit einer alten Drucktechnik möglich, wie sie auch beim Zeitungsdruck verwendet wurde. Mittels einer 3 x 3 Matrix können beispielsweise Nadeldrucker näherungsweise 10 Graustufen erzeugen. (Für dieses Halbton-Verfahren siehe z.B. oder für die Methoden der digitale Halbton-Technik.)

Aus dem Papierarchiv vom 2. August 1991 Aus dem Digitalarchiv vom 14. April 2018

Waren Tellert und Kurz Wegbereiter für den Empfang mit Amateurmitteln, so publizierte Matjaž Vidmar (YU 3 UMV) 1982 ebenfalls in den UKW Berichten den lang ersehnten digitalen Speicher mit RAM Bausteinen. Für den damaligen Meteosat ausreichend: 256 x 256 x 6 Bit, für größere Bilder von polar umlaufenden Satelliten jedoch zu klein. Erst längere Zeit später wurde nach diesen Anfangserfolgen und der Möglichkeit der Verwendung von PCs für die Verarbeitung der empfangenen Bilder, (sprich der WFAX-"Töne") der Wettersatellitenempfang auch ohne "Bastelaktivitäten" wieder interessant. Programme wie von Patrick Tast und die Programmsammlung von haben sehr zur Vereinfachung beigetragen, ebenso von Craig Anderson. Letzteres Paket kommt mit seiner Linux-Distribution hier zur Anwendung. Für mehr Softwareinformationen siehe .

Die Wettersatellitenbilder, derzeit von NOAA-18 und NOAA-19 werden mit einem APT-06 Empfänger von empfangen, der den Eigenbau abgelöst hat. Als Antenne wurde zunächst eine WSP-137 von RF-Systems verwendet, die vor einigen Jahren von einer KX-137, ebenfalls von Wraase, abgelöst wurde. WxToImage läuft auf einem Raspberry Pi 2 im vollautomatischen Modus. Die empfangenen und decodierten Bilddaten werden publiziert.

NOAA-19 ist der jüngste, aber zugleich auch letzte in das All geschossene polar umlaufende Wettersatellit der im APT-Format sendet; weitere sind nicht geplant; der Service wird voraussichtlich 2021 eingestellt. Und wenn die heutigen noch (teilweise) aktiven Satelliten ihr Lebensende erreicht haben, werden diese Amateuraktivitäten Geschichte sein. (Vergl. Statusinformationen über diese Satelliten bei der Organisation.)




Sensorübersicht
Die Wetterstation zur Aufzeichung der meteorologischen Daten wie Temperatur, Feuchte, Wind etc. basiert auf Komponenten verschiedener Hersteller und hat nicht mehr viel gemein mit der Station, wie sie bis betrieben wurde. Die ursprünglich verwendete Oregon Scientific WMR928NX mit den Sensoren für Temperatur, Feuchte, Regen, Wind und Luftdruck sind inzwischen alle ersetzt. Im Detail sind das:


  • Die Sensoren sind zwecks Empfang und Weiterverarbeitung der Daten an angeschlossen.


    Temperatur und Feuchte
    Zur Messung von Temperatur und Luftfeuchte kommt ein HTM2500LF von zum Einsatz. Der Sensor hat zum Schutz gegen Staub und Feuchtigkeit einen grobporigen Edelstahl Sinterfilter (ZE13) von erhalten.

    Der Sensor ist wassergeschützt auf einer Höhe von 2 Metern über dem Boden in einer ventilierten Strahlungsschutzhütte von untergebracht. Die früher verwendete Wetterhütte aus Holz ist damit überflüssig geworden. Darüber hinaus garantiert die Zwangsbelüftung einen gleichmäßigen Luftstrom um den Sensor und verläßliche Meßwerte.

    Die analogen Daten des Sensors werden über ein Widerstandsnetzwerk einem AD-Wandler vom Typ zugeführt. Der AD-Wandler ist über eine Datenleitung auf den I²C-Bus eines Raspberry Pis geschaltet, der die Daten regelmäßig ausliest und weiterverarbeitet.

    Bevor der HTM2500LF zum Einsatz kam, wurden Experimente mit dem BME280 von durchgeführt. Dieser Sensortyp hat auch einen Luftdrucksensor an Bord. Da der Sensor selber ein SMD-Bauteil ist, wurde ein Breakout-Board von verwendet. Das Breakout Board wurde zusätzlich mit einem Korrosionsschutz versehen. Hierzu wurde das Board beidseitig mit von Contakt Chemie besprüht und versiegelt. Selbstverständlich wurde das Luftloch im Gehäuse des BME280 bei der Versiegelung ausgespart. Beim ersten Einsatz eines solchen Boards zeigten sich jedoch nach einigen Monaten Ausfälle bei der Kommunikation über den I²C-Bus, verursacht durch Korrosion. Dieses Problem konnte mit der Versiegelung reduziert, aber nicht langfristig beseitigt werden.


    Luftdruck

    © Watterott
    Die Messung des Luftdrucks erfolgt mit einem BME280, da dieser auch einen Drucksensor beinhaltet. Es werden zwei voneinander unabhängige Messungen in von Witterungseinflüssen geschützten Umgebungen durchgeführt. Die leicht unterschiedlichen Höhenlagen der Sensoren werden berücksichtigt. Anhand der Außentemperatur und der barometrischen Höhenformel wird jeweils der auf Meereshöhe reduzierte Luftdruck errechnet.

    Unter Berücksichtigung der Höhen der zwei unterschiedlichen Montageorte ergeben sich bisher bis auf ± 0.1hPa gleiche Werte, womit man zufrieden sein kann. Somit wird nur ein Sensor als führende Größe verwendet, der zweite dient der Kontrolle.

    Anmerkung:
    Entsprechend der barometrischen Höhenformel nimmt der Luftdruck je Meter Höhe um ca. 0.12hPa ab.


    Niederschlag
    Der Regenmesser MR3H-01s der verrichtet seit Herbst 2018 seinen Dienst. Er hat eine Auflösung von 0.1mm Niederschlag und besitzt eine Heizung, um auch bei niedrigen Temperaturen Graupel, Hagel oder Schnee als Regenäquivalent zeitnah messen zu können.

    Der Regenmesser ist kalibriert und es wird eine von Meteoservis zur Verfügung gestellte Korrekturtabelle angewendet, die die Abweichung der gemessenen Regenmenge von der tatsächlichen Regenmenge in Abhängigkeit von der Niederschlagsintensität berücksichtigt.

    Bei einer hohen Intensität nimmt der Fehler, der durch die Kippzeit des Kippgefäßes im Gerät entsteht, zu. Außerdem fließen geringe Mengen Wasser beim Kippvorgang nicht mehr exakt in das Kippgefäß, so dass grundsätzlich immer zu wenig gemessen wird. Die Korrekturmaßnahme berücksichtigt dies.

    Somit sind auch bei hohen Niederschlagsraten (z.B. bei Gewitter) sehr genaue Messungen von Niederschlagsmengen zu erwarten.

    Die Steuerung der Heizung erfolgt über einen Thermostaten im Gerät; übergeordnet schaltet ein Algorithmus im Raspberry Pi die Versorgungsspannung der Heizungsregelung im Bereich um den Nullpunkt der Außentemperatur, um noch etwas stromsparender operieren zu können.



    Wind
    Der Windmesser WGR918N war der letzte Sensor, der von der ursprünglichen Wetterstation noch übrig geblieben war. Inzwischen hat in 2019 auch hier ein Autausch stattgefunden. Während der Übergangszeit wurden die Daten nicht mehr mittels eines Solarsensors STR938 übertragen, sondern die Daten wurden vom Sensor direkt in einem Raspberry Pi verarbeitet. Damit war auch die Empfangsstation der Oregon WMR928N nicht mehr erforderlich.

    Inzwischen dient ein WGR918N nur noch der Kontrolle und der optischen Anzeige der Windrichtung. Die Messungen von Windrichtung und Windgeschwindigkeit übernimmt nun ein Ultraschall-Anemometer der . Hierzu wurde das UMB-Protokoll der Fa. Lufft im Raspberry Pi implementiert. Für die kalte Jahreszeit ist das Gerät, wie der Regenmesser, mit einer integrierten Heizung ausgerüstet.

    Die Umsetzung der RS485-Schnittstelle des Anemometers an den Pi übernimmt ein RS485-USB-Konverter. Die aktuellen Debian Distributionen für den Pi bringen die Treiber für z.B. einen CH340-Chip schon mit.

    Mehr Hintergrundwissen über Ultraschall-Anemometer und deren Selbstbau ist z.B. bei zu finden.

    Anmerkung:
    Alle Oregon Sensoren übertragen ihre Daten im . Der Raspberry extrahiert aus den Datentelegrammen die Werte für die Windrichtung, die durchschnittliche Windgeschwindigkeit und die maximale Windgeschwindigkeit im Meßintervall. Im Netz sind einige Ansätze zu finden, wie die Oregon Sensoren ihre Daten übertragen:


  • Der Windsensor WGR918N war leider in den o.g. Dokumenten nicht aufgeführt; das Datentelegramm konnte jedoch - bis auf die Checksum - entschlüsselt werden. Die Checksum scheint bisher nur für die Sensoren der Generation V1 bekannt zu sein.

    Die bisher entschlüsselte Struktur des Datentelegramms des Sensors WGR918N ist zu finden.




    Schneehöhe

    Die Schneehöhe wird ebenfalls mit einem Ultraschallsensor ermittelt. Nach ersten wenig erfolgreichen Versuchen wurde der Ultraschallsensor MB7374 aus der Reihe der Sensortypen von ausgewählt.

    Zusammen mit dem externen liefert der MB7374 unabhängig von der aktuellen Temperatur ein gutes und reproduzierbares Meßergebnis. Der Temperatursensor ist in der Strahlungsschutzhütte untergebracht. Damit ist Sorge getragen, daß der Ultraschallsensor auch bei unterschiedlichen Temperaturen die korrekte Schallgeschwindigkeit für seine Berechnungen zugrunde legt. Als Referenzfläche dient eine helle Fliese, die bei Schneefall bedeckt wird und die sich bei Sonnenlicht quasi nicht erwärmt.

    Anmerkung:
    Die Geschwindigkeit des Ultraschalls ändert sich mit der Temperatur, und zwar gilt näherungsweise: c ≈ 331.5 + (0.6 · ϑ) für -20°C < ϑ < 40°C.
    Mehr Informationen sowie unter
  • "Molecular concentration of water vapour from Rh using Giacomos method by Davis (1991) as implemented in DTU report 11b-1997" und
  • "Speed calculation using method of Cramer from JASA vol 93 p. 2510".

  • Weitere Literatur und Software dazu:


  • Gewitter

    © Embedded Adventures
    Das Registrieren von Entladungen bei Gewittern, also das Registrieren von Blitzen übernimmt ein Franklin Lightning Sensor AS3935 von der Fa. . Für diesen Sensor sind wie für den BME280 diverse Breakout Boards erhältlich. Hier wird ein Board der Fa. verwendet.

    Das Board ist nicht direkt bei der Wetterstation installiert, da wegen elektrischer Felder von einem nahen Weidezaun und Schaltimpulse der Heizung für den Regensensor falsche Daten entstehen würden. Er befindet sich auf dem Grundstück außerhalb der Gebäude in einer von elektromagnetischem Smog weitestgehend sauberen Umgebung. Er ist wie der BME280 an das I²C-Interface eines Raspberry Pis angeschlossen.

    Der Sensor liefert erstaunlich gute Resultate; das Preis-Leistungsverhältnis ist bestens. Die Qualität der Daten ist natürlich nicht zu vergleichen mit denen der Wetterdienste. Mit einem Sensor kann natürlich auch nicht die Richtung ermittelt werden, aus der ein Gewitter herannaht. Wer sich intensiver hiermit beschäftigen möchte sei beispielsweise auf die Aktivitäten von verwiesen.


    Datenverarbeitung
    Alle Sensoren sind an Raspberry Pis angeschlossen, auf denen die benötigten Schnittstellen und Protokolle realisiert sind. In der Außenstation ist ein Pi in einem IP67-Gehäuse untergebracht und verrichtet dort seit Herbst 2017 problemlos seinen Dienst. Benötigte Netzgeräte und die Transformatoren für die Heizungen sind ebenfalls in einem IP67-Gehäuse installiert.

    Die Daten werden mittels einer WIFI-Schnittstelle an einen Datenbankserver übertragen. Im offline Fall, z.B. bei Wartungsarbeiten am Datenbankserver, schreibt der Pi die Daten in einen offline Logfile, von wo aus diese dann später in die Datenbank übertragen werden.



    Hinweise:
    Geographische Daten der Wetterstation: lat=50.571883, lon=6.222888, h=587m.
    (*) Oben genannte Rufzeichen gültig zum Zeitpunkt der jeweiligen Publikationen.