Wetterdaten mit Linux aufzeichnen und verarbeiten
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Was soll das hier?
Angefangen hat die Geschichte eigentlich nur mit ein paar Experimenten mit Temperatursensoren an diversen Mikrocontroller-Boards (z.B. BLIT2008-Board mit 1-Wire und BLIT2008-Board-Thermo). Irgendwann kam der Wunsch auf, diese Temperaturmessdaten dauerhaft mitzuschreiben, zu archivieren (z.B. auf einer, an einem Mikrocontroller angeschlossenen SD-Karte) und die Verläufe in geeigneter Form anzuzeigen. Die Ergebnisse waren aber nicht allzu befriedigend, was an den beschränkten Ressourcen und Möglichkeiten der eingesetzten Mikrokontroller lag.
Also begann ich sukzessive die Temperaturmessungen mit einem "richtigen" Linux-Rechner aufzubauen. Nachdem dies gelungen war, reifte der Wunsch nochmehr Daten zu erfassen und zu visualisieren. Es kam also schrittweise die Aufzeichnung der Helligkeit, der Luftfeuchtigkeit und des Luftdrucks hinzu. Der derzeitige Stand ist auf einer kleinen Webseite einsehbar: Das Klima bei Uwe.
Dieser Wiki-Artikel soll ein wenig von den Techniken berichten, die hinter diesem System stecken. Vielleicht kann der eine oder andere Interessierte ein paar Anregungen für eigene Experimente finden.
Einige der technischen Grundlagen habe ich bereits in einem Vortrag "Busverkehr unter Linux" zusammengefasst, welchen ich 2012 auf dem Chemnitzer Linuxtag und der FrOSCon präsentiert habe.
Viel Spaß!
Hardware
Überblick
Rechner-Hardware
Da das System ständig laufen muss, um die Messdaten lückenlos aufnehmen zu können, wurde eine Rechnerhardware gesucht, deren Stromaufnahme sich im tolerierbaren Rahmen bewegt. Als ich mit den Experimenten anfing, beschäftigeten sich gerade ein paar Leute damit, das NAS-System "Dockstar" von Seagate von der Hersteller-Firmware zu befreien, was meinen Wunschvorstelleungen sehr entgegen kam.
Diese NAS-Einheit verfügt über einen Ethernetanschluß, drei USB-Ports, einen weiteren USB-Anschluß für eine externe USB-Festplatte sowie über eine Status-LED. Die Original-Firmware ist bereits ein Linux, welches aber relativ restriktiv beim ersten Verbinden mit dem Internet mit Seagate kommuniziert und dann nicht mehr ohne weiteres austauschbar ist. Intern werkelt ein ARM-Prozessor, es sind 128MB RAM und 256MB FLASH-Speicher vorhanden. Ich habe dem System eine passende externe USB-Festplatte (320GB) von Seagate spendiert.
Im Internet kursieren diverse Beschreibungen über die interne Hardware und das Aufspielen eigener Firmware. Z.B.:
Neben dem eigentliche Basis-Betriebssystem wurden für die Wetterdatenaufzeichnung noch diverse Softwarepakete installiert, u.a.:
- TCL-Interpreter (diverse Scripte zur Steuerung)
- SQLite (als Datenbank)
- gnuplot (zur Generierung von Diagrammen)
- screen und screenie (zum Verwalten diverser Terminal-Sessions)
- ein WEB-Server (zur Auslieferung von HTML-Seiten)
Neben dem Aufzeichnen der Wetterdaten verwende ich das NAS auch noch als zweites Backup-System in meinem Heimnetz (einfaches rsync von diversen Verzeichnisse meines Servers).
I2C-Bus
Allgemeines
> i2cdetect -l
i2c-0 i2c i2c-tiny-usb at bus 001 device 089 I2C adapter
> i2cdetect -y 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- 12 13 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- 49 -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- 77
Temperatur mit einem LM75
Helligkeit mit Fotowiderstand und Solarzelle
realtive Luftfeuchtigkeit mit einem HIH-4030
Luftdruck mit einem BMP085
1-wire-Bus
Allgemeines
Temperatur mit einem DS1820
LC-Display
Software
Datenbank
Zur Aufzeichnung/Archivierung der Messdaten bietet es sich an, eine Datenbank zu verwenden. Da eine serverbasierte Datenbank (wie z.B. MySQL) etwas überdimensioniert ist, habe ich mich für SQLite entschieden, zumal dafür auch ein sehr komfortables TCL-Interface existiert.
Es wurden mehrere Tabellen angelegt:
- eine Tabelle für die 1-wire-Temperatursensoren
- eine Tabelle für die ADC-Werte (Fotowiderstand, Solarzelle) aus der Helligkeitsmessung
- eine Tabelle für den ADC-Wert des Feuchtigkeitssensors und dem Messwert des daneben plazierten Temperatursensor (LM75)
- eine Tabelle für den Luftdruck-Wert und dem dazugehörigen Temperaturwert
Es werden jeweils die Messwerte ansich und der dazugehörige Timestamp abgelegt. Für jede Tabelle wurde ein Index auf dem Timestamp angelegt, um diverse Zugriffe zu beschleunigen.
Visualisierung
Diagramme mit gnuplot
Ansteuerung eines LC-Display
Diagramme über die Messwertverläufe auf einer Webseite sind ja sinnvoll und schick, aber was, wenn man gerade keinen Rechner mit einem Browser an hat? Irgendwann erinnerte ich mich an meine Experimente mit einem LC-Display als Statusanzeige unter Linux. Ein USB-Anschluß war am Dockstar noch frei... Nach einigem Suchen, fand ich dann auch dieses Teil, modifizierte/erweiterte die damals geschrieben TCL-Scripte etwas und habe jetzt eine Anzeige, welche die aktuellen Werte von:
- Datum/Uhrzeit
- Innen- und Außentemperatur
- Luftfeuchtigkeit
- Luftdruck
ständig anzeigt. Die Daten werden nicht direkt von den Sensoren ermittelt, sondern aus der SQLite-Datenbank gelesen.
Theoretisch könnte man an das Anzeige-Modul noch 6 Tasten anschließen, aber vorerst besteht keine Notwendigkeit dazu.
Die Verwendung jeder anderen geeigneten Lösung einer Anzeige an einem USB-Port ist ebenfalls denkbar (z.B. LCD4Linux oder LCDproc).
ToDo
- ...diese Wiki-Seite :-)
- ein außentaugliches Gehäuse für den Außentemperatur-, Feuchtigkeitssensor, Fotowiderstand und die Solarzelle; vor allem muss für den Feuchtigkeitssensor eine Lösung gefunden werden, die gewährleistet, dass sich kein Tauwasser auf dem Sensor absetzt (wie machen es die "richtigen" Wetterstationen?)
- eigentlich fehlt jetzt noch die Messung der Windstärke und -richtung; am liebsten wäre mir eine nicht-mechanische Lösung
- naja, die Regenmenge fehlt dann auch noch...
