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Technik

Meine Wetterstation besteht aus einer kabellosen Wetterstationen Vantage Pro2 Wireless des US-Herstellers Davis Instruments. Diese Station wurde ursprünglich für Agrar-Messungen entwickelt und liefert sehr exakte Messwerte. Wie praktisch alle Stationen von Davis ist sie dem semiprofessionellen Bereich zuzurechnen und ragt beim Vergleich mit anderen Funkstationen insbesondere durch die hohe Messfrequenz und die Messgenauigkeit heraus. Ausserdem bietet sie (optional) Messmöglichkeiten für UV-Dosis, Evapotranspiration (Verdunstung) und Sonnenstrahlungs-Intensität, die in dieser Preisklasse sonst nirgends zu finden sind.
Die Station verfügt über ein ein erweitertes Frequenzband im Frequenzsprung-Verfahren (868.0 - 868.6 MHz), welches ein Senden und Empfangen von Daten über eine Entfernung im Freien von ca. 300m erlaubt.
Die einzelnen Elemente meiner Wetterstation möchte ich in der Folge kurz erläutern.

Prinzipschema

 

Basisstation

Basisstation der Vantage Pro2
Die Basisstation dient dabei bei mir lediglich als (sehr intelligente) Anzeigeeinheit im Wohnzimmer. Diese wurde jedoch von der Familie so gewünscht, der Einsatz der Anzeigeeinheit zusätzlich zum nachfolgend beschriebenen Equipment ist jedoch für meine Anwendung zugegebenermassen ein nicht notwendiges, teueres Element.
Die Basisstation verfügt über einen grossen, übersichtlichen Monitor mit Anzeige aller aktuellen- und aufgezeichneten Wetterdaten wie
  • Barometrischer Luftdruck
  • Wettervorhersage
  • Innen- und Aussentemperatur
  • Innen- und Aussenfeuchte
  • Hitze-Index
  • Taupunkt
  • Mondphasen
  • Niederschlag für Minuten, Stunden, Tage, Monate, Jahre und Regenschauer
  • Gesamtniederschlag der letzten 24 Regenschauer
  • Regenrate in Minuten, Stunden, Tage und Monate
  • Windrichtung und -geschwindigkeit
  • Windchill (gefühlte Temperatur)
  • Datum & Uhrzeit
  • Sonnenauf- und Sonnenuntergang
  • Evapotranspiration für Tag, Monat, Jahr
  • Solar-Strahlungsintensität
  • Temperatur-Feuchte-Sonne-Wind-Index (THSW)
  • UV-Dosis
  • UV-Index
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Integrierte Sensor-Einheit

ISS
Die integrierte Sensor-Einheit ISS enthält die Sensoren Regenmesser, Windmesser, Hygrometer und Temperaturmessgerät, um die Sensoren für Globalstrahlung und UV-Intensität habe ich die Einheit nachträglich erweitert. Die Ausseneinheit ist mit einem Strahlungsschutzgehäuse (Wetterhütte) für Temperatur- und Luftfeuchte-Sensoren ausgestattet, welches ich ebenfalls später durch eine aktive Belüftung erweitert habe. Die ISS wird durch ein Solarpaneel mit Strom versorgt und ist somit völlig autark einsetzbar. Der Energieverbrauch ist dabei so niedrig, dass eine Stunde Sonnenlicht pro Tag genügt, um eine zuverlässige Funktion der ISS zu gewährleisten. Nachts genügt der tagsüber aufgeladene Akku. Der Windmesser (Anemometer) verfügt über zusätzlich 12 Meter Kabel, so dass er abgesetzt von den restlichen Sensoren erhöht auf einem Mast montiert werden kann.
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Weather Envoy Wireless

Weather Envoy Wireless
Weil die Basisstation familiengerecht im Wohnzimmer platziert ist, mein Wetterserver jedoch einen Stock tiefer in meinem Büro steht, kommt ein Weather Envoy Wireless zum Einsatz. Der Weather Envoy ist funktional analog der Basisstation, besitzt jedoch einfach kein Display. So werden also die Wetterdaten der ISS sowohl von der Basisstation, als auch vom Weather Envoy empfangen.
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Data Logger

Data Logger
Für die Weitergabe der Wetterdaten aus dem Weather Envoy an den Wetterserver wird ein Data Logger benötigt, welcher in das Weather Envoy eingebaut wird. Der Data Logger sorgt dafür, dass die Daten via USB in den Wetterserver gelangen.
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Wetterserver

Beim Wetterserver handelt es sich um ein stromsparendenes ALIX.3D3 System von
PC Engines. Er hat damit einen Stromverbrauch von maximal 5 Watt und kann dadurch problemlos dauerhaft in Betrieb sein. Der Server zeichnet somit die Wetterdaten non-stop auf, ohne hohe Stromkosten zu verursachen. Das System ist lüfterlos, passiv gekühlt und extrem klein. Durch den Verzicht einer Festplatte und den Einsatz einer 4GB CF-Karte ist der Server weiters 100% geräuschlos.

Auf dem Linux-Server (Debian) läuft die Wettersoftware Meteohub von Boris Pasternak. Diese Software
Wetterserver
  • zeichnet die Wetterdaten auf,
  • wertet diese aus,
  • erzeugt Grafiken,
  • kann diese per FTP auf Webseiten hochladen,
  • Daten in Wetternetzwerke einspeisen,
  • Daten im WSWIN- oder WD-Format exportieren,
  • und vieles mehr.

Meteohub unterstützt eine Vielzahl von Wetterstationen und kann diese ununterbrochen auswerten und Daten in das Internet übertragen. Ich kann aus meiner bisherigen Erfahrung diese Software ohne Einschränkungen empfehlen - das Beste was ich kenne! Extrem stabil, präzise und sauber dokumentiert, und es folgen Updates mit interessanten, neuen Leistungsmerkmalen oder Ergänzungen in regelmässigen Abständen. Extraklasse.

Das Serversystem hat folgende technische Eigenschaften:
  • CPU: 500 MHz AMD Geode LX800 (ALIX.3D3 Mainboard)
  • DRAM: 256 MB DDR DRAM
  • Storage: CompactFlash socket
  • Power: DC jack or passive POE, min. 7V to max. 20V, Three LEDs
  • Expansion: 2 miniPCI slots, LPC bus
  • Connectivity: 1 Ethernet channel (Via VT6105M 10/100)
  • I/O: DB9 serial port, dual USB, VGA, audio headphone out / microphone in, RTC battery
  • Board size: 100 x 160 mm
  • BIOS: AwardBIOS
  • Transcend UDMA 300X 4GB CompactFlash Karte (SLC)
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Regenmesser-Heizung

Damit im Winter der Niederschlag gemessen werden kann, muss der Regenmesser zum Niederschlagsmesser gemacht werden: der Schnee muss in flüssige Form gebracht werden. Dazu muss der Regenmesser mit einer geeigneten Heizung ausgerüstet werden.
Ich habe mich dazu für eine spezielle, vollautomatische Heizung von SwissWetter.ch entschieden, welche zusammen mit der Engineering-Firma marenco eigens für diesen Zweck konstruiert wurde.

Regenmesser-Heizung
Im Unterschied zur originalen Regenmesserheizung von Davis
  • besitzt diese Heizung eine bessere Heizleistungsverteilung im Regenmesser
  • ist die Heizung thermostatgesteuert mit separater Temperatursonde
  • ist der Trafo geschaltet (kein Leerlaufverlust des Trafos, wenn keine Heizleistung benötigt ist)

Die Einschalttemperatur ist werkseitig auf 4°C eingestellt, kann aber problemlos den eigenen Anforderungen angepasst werden. Die Heizung schaltet somit bei Unterschreiten dieser Temperaturschwelle automatisch ein. An milderen Wintertagen schaltet die Heizung automatisch wieder aus.
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UV- und Globalstrahlungs-Sensoren

UV-Sensor
Der UV Sensor ermöglicht die Erfassung des sonnenbrand verursachenden Spektralanteils unseres Sonnenlichtes, dem UV-Anteil. Die Messdaten dienen zur Berechung von UV-Index, UV-Dosis, UV-Dosis-Rate und kumulierter Dosis. Das Gehäuse und der Diffusor sind unter Beachtung der cosinusabhängigen Empfindlichkeit sorgfältig konstruiert. Das Gehäuse ist zweiteilig aufgebaut, um durch Konvektionskühlung eine Aufheizung durch Strahlungswärme zu verhindern. Als Strahlungssensor wird eine Halbleiter-Fotodiode verwendet. Durch einen Mehrschichtfilter wird sichergestellt, daß nur der Erythema-Effekt auslösende Spektralanteil von dem Sensor erfasst wird.
Mit dem UV-Sensor lässt sich der UV-Index im Bereich 0...16 UV-I in einer Auflösung von 0,1 UV-I messen. Die Genauigkeit liegt gemäss Hersteller bei ±5°.
solar_sensor.png
Der Solar Radiation Sensor ist ein Strahlungssensor, der die Sonneneinstrahlung in Watt/m² und die Sonnenenergie in Langley erfasst. Die Messdaten ermöglichen zusätzlich die Berechnung der Evapotranspiration in der VantagePro Konsole. Das Gehäuse und der Diffusor sind unter Beachtung der cosinusabhängigen Empfindlichkeit sorgfältig konstruiert. Das Gehäuse ist zweiteilig aufgebaut, um durch Konvektionskühlung eine Aufheizung durch Strahlungswärme zu verhindern. Als Strahlungssensor wird eine Silicium Fotodiode verwendet, die in einem Spektralbereich von 400 bis 1100nm (naher UV-Bereich bis zum nahen IR-Bereich) arbeitet.
Mit dem Globalstrahlöungs-Sensor lässt sich die Sonneneinstrahlung im Bereich 0...1800W/m² in einer Auflösung von 1W/m² messen. Die Genauigkeit liegt gemäss Hersteller bei ±5%.
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Tageszeit belüftetes Strahlungsschutzschild

belüftetes Strahlungsschutzschild
Weil sich meine Wetterstation frei und an exponierter Lage befindet besteht die Gefahr, dass sich insbesondere an sehr sonnigen, windstillen Sommertagen um das Strahlungsschutzschild, in welchem sich die Sensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit befinden, stehende Luft bildet, welche die Messungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit verfälscht.
Belüftungsprinzip
Das Strahlungsschutzschild wurde deshalb um eine aktive Zwangsbelüftung erweitert, welche für eine bessere Zirkulation der Luft um die Sensoren herum sorgt. Die Luft wird dabei mittels eines Ventilators mit ca. 1.875 m/s über die Sensoren gezogen. Ein Luft- und Feuchtestau an den Sensoren wird so vermindert und damit die Anzeige von tendenziell zu hohen Temperaturen verringert.
Der Ventilator wird über ein Solarpaneel mit Strom versorgt und läuft automatisch bei entsprechender Sonnenbestrahlung an. Es sind keine Batterien oder Akkus notwendig.
Ein weiterer Vorteil der Belüftung liegt darin, dass die Sensoren durch den Luftstrom sekundenschnell reagieren, während sich diese bei passivem Betrieb eher träge verhalten.
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Aufbereitung und Darstellung der Wetterdaten

Die Wetterdaten lese ich aus dem Wetterserver aus (aktuelle Daten als XML-File auf den Webserver, zeitverdichtete Daten per FTP-Cronjob auf den Webserver) und bereite diese, vorwiegend in PHP, zur Anzeige auf. Die Darstellung erfolgt in HTML/PHP, die Datepicker und Tabs sind mit Ajax/Javascript/jQuery realisiert. Die originalen, geloggten Wetterdaten werden zur Sicherheit regelmässig über Cronjob automatisiert auf mein NAS gesichert.
Sämtliche Wetterdaten auf Stachenwetter werden mit kleinst möglichem Energieaufwand serverseitig erzeugt (<5W). Für die Aufbereitung der Wetterdaten laufen keine PC's mit speziellen Wetterprogrammen wie WSWin im Hintergrund. Sämtliche Programme für Auswertungen und Darstellungen der Wetterdaten von Stachenwetter wurden selbst entwickelt.
Die grafische Darstellung einzelner Wetterdaten erfolgt entweder über durch den Meteohub erstellte Charts oder aber über Meteoplug, ebenfalls eine Lösung von Boris Pasternak: Mit diesem Ansatz werden die Wetterdaten alle 10 Minuten durch den Meteohub an Meteoplug übermittelt, welcher aufgrund von frei definierbaren Templates entsprechende Charts in Javascript/Flash erstellt. Einziger 'Nachteil' dieser extrem schönen und aussagekräftigen Charts: die fehlende Flash-Fähigkeit von iPhone etc. Für die Erstellung des Web-Auftrittes benutze ich das CMS Weblica.
Die Wetterseiten befinden sich im stetigen Ausbau. Es gibt einige Themen, welche ich noch angehen und umsetzen möchte.
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