10  

   

Weerstation  Bram  Ebben  en    Jasper  van  Haastere  |  6va  Profielvak  Bram:  Natuurkunde                                                                                                                                                                                                                  Profielvak  Jasper:  Natuurkunde                                                                                                                                                                                                          Begeleider:  Norbert  van  Veen  

19-‐12-‐2014  

1    

Inhoud  

Voorwoord        Hoofdstuk  I:  Inleiding      Hoofdstuk  II:  Onderzoek     2.1:  Hoe  maak  je  van  een  aantal  sensoren  een  geheel?         2.1.1  Sensoren                         2.1.2  Temperatuursensor           2.1.3  Luchtdruksensor         2.1.4  Luchtvochtigheidssensor           2.1.5  Alle  sensoren         2.1.6  Het  solderen       2.2:  Hoe  schrijf  je  de  code  voor  metingen  in  Arduino?         2.3:  Hoe  laten  we  Arduino  data  wireless  verzenden?           2.4:  Hoe  beschermen  we  ons  station  tegen  verschillende  weersomstandigheden?            Hoofdstuk  III:  Het  uiteindelijke  product      Hoofdstuk  IV:  Conclusie  en  discussie      Hoofdstuk  V:  Reflectie      Literatuurlijst      Logboek  

   

2      

3      

4  t/m  7    

4  5  5  6  7  7    

8    

10    

12      

14      

17      

15      

18      

19  

 

2    

Voorwoord    Voordat  we  beginnen  met  ons  PWS  willen  we  graag  onze  begeleider  Norbert  van  Veen  bedanken.  Hij  heeft  ons  veel  geholpen  met  het  uitzoeken  van  de  verschillende  sensoren  en  het  verhelpen  van  problemen  die  tijdens  ons  project  zijn  ontstaan.  

Ook  willen  we  het  Hisparc  team  van  het  Nikhef  bedanken  voor  het  sponseren  van  onze  Arduino  onderdelen  en  voor  hun  gastvrijheid,  zodat  we  in  hun  werkplaats  aan  ons  weerstation  konden  werken.  

 Bram  Ebben  en  Jasper  van  Haastere

 

   

3    

Inleiding    Dit  profielwerkstuk  is  geschreven  door  Bram  Ebben  en  Jasper  van  Haastere.  Wij  zijn  twee  scholieren  die  op  het  Fons  Vitae  Lyceum,  in  de  zesde  klas  van  het  vwo  zitten.  Wij  hebben  allebei  een  dubbelprofiel  Natuur  en  Techniek  +  Natuur  en  Gezondheid  en  we  hebben  dan  ook  veel  interesse  in  de  exacte  vakken.  

Voor  ons  profielwerkstuk  wilden  we  graag  ons  eigen  weerstation  gaan  ontwerpen.  In  5  vwo  hebben  we  meegedaan  aan  het  Hisparc  project  van  de  UvA(Nikhef).  Daar  hebben  we  met  groepjes  twee  grote  detectoren  gemaakt,  waarmee  kosmische  deeltjes  gemeten  kunnen  worden.  Deze  twee  detectoren  staan  op  het  dak  van  onze  school  en  meten  daar  nu,  ook  op  dit  moment,  kosmische  deeltjes  die  vanuit  de  ruimte  de  aarde  bereiken.  Het  leek  ons  leuk  om  bij  deze  detectoren  ook  een  eigen  weerstation  te  zetten,  waarmee  we  de  temperatuur,  luchtdruk  en  luchtvochtigheid  kunnen  meten.  Onze  natuurkunde  leraar,  Norbert  van  Veen,  die  ons  destijds  ook  geholpen  heeft  om  aan  het  Hisparc  project  te  mogen  deelnemen,  wilde  ons  graag  begeleiden  tijdens  dit  project.    

Onze  hoofdvraag  in  dit  project  is:  “Hoe  maken  we  een  wireless  weerstation  die  data  meet  en  verstuurt?”.  De  deelvragen  die  we  hierbij  gaan  beantwoorden  gaan  over  de  problemen  die  we  moesten  overwinnen  om  tot  ons  eindproduct  te  komen.  Onze  deelvragen  zijn:  “  Hoe  maak  je  van  een  aantal  sensoren  een  geheel?”  ,  “  Hoe  schrijf  je  de  code  voor  metingen?”  ,  “Hoe  laten  we  Arduino  data  wireless  verzenden?”  en  “  Hoe  beschermen  we  ons  station  tegen  verschillende  weersomstandigheden?”.  

Als  profielvak  hebben  we  natuurkunde  gekozen,  omdat  we  in  5  vwo  hoofdstukken  hebben  behandeld  die  met  ons  onderwerp  te  maken  hebben,  namelijk:  signaalverwerking,  stroom,  spanning  en  weerstand.  De  begrippen  temperatuur,  luchtdruk  en  luchtvochtigheid  hebben  ook  allemaal  met  de  natuurkunde  te  maken.  

 

 

 

 

 

 

“  Experientia  docet  ”      

 

 

4    

Onderzoek    We  hebben  gekozen  voor  een  ontwerp  project,  omdat  het  ons  leuker  leek  om  iets  te  maken  met  je  handen  dan  alleen  een  literatuuronderzoek  te  doen.  Op  deze  manier  gebruiken  we  de  kennis  die  we  zelf  opgedaan  hebben  en  de  kennis  van  anderen  om  iets  te  maken  dat  echt  in  de  praktijk  zal  werken.  We  hebben  bijvoorbeeld  onze  kennis  van  natuurkunde  over  spanning  en  stroom  kunnen  gebruiken  toen  we  de  bekabeling  tussen  de  sensoren  hebben  aangelegd.  Het  is  ook  heel  leuk  dat  ons  project  uiteindelijk  echt  op  het  dak  van  de  school  mag  komen  te  staan.    

 

|  Hoe  maak  je  van  een  aantal  sensoren  een  geheel?  De  belangrijkste  onderdelen  van  een  weerstation  zijn  de  sensoren  die  al  het  meetwerk  doen.  Je  kan  deze  sensoren  niet  zomaar  aan  elkaar  verbinden  en  hopen  dat  ze  iets  doen.  De  sensoren  moeten  op  een  computer-‐  of  systeembord  worden  geplaatst,  zodat  de  waarden  kunnen  worden  verwerkt.  Eerst  moeten  we  de  waarden  van  de  sensoren  uitlezen,  dan  verwerken  en  vervolgens  uitschrijven.  

Voor  de  kern  van  ons  station  hebben  we  ervoor  gekozen  om  een  systeembord  van  Arduino  te  gebruiken.  Arduino  is  een  open  bron  platform  met  makkelijk  te  gebruiken  hardware  en  software.  Het  wordt  veel  gebruikt  door  mensen  die  een  interactief  project  willen  maken.  De  Arduino  Uno  die  wij  gebruiken  is  een  computerbord  met  verschillende  digitale  en  analoge  ingangen  [1].  Het  verschil  tussen  analoge  en  digitale  ingang  is  dat  digitale  ingang  alleen  een  0  en  een  1  kan  geven,  dus  er  zijn  maar  twee  standen.  Bij  analoog  zijn  er  veel  meer  verschillende  hoeveelheden  spanning  (tussen  0  en  5    Volt),  namelijk  256  (2!),  die  aan  het  apparaat  gegeven  kunnen  worden.  

In  5  vwo  hebben  we  voor  onze  praktische  opdracht  van  natuurkunde  ook  met  dit  systeembord  gewerkt.  We  hebben  profijt  gehad  van  deze  ervaring,  omdat  we  al  wisten  hoe  we  met  de  Arduino  omgeving  om  moesten  gaan  en  dat  we  al  een  deel  van  de  materialen  voor  ons  project  voor  handen  hadden.    

   

Sensoren  Wij  wilden  met  ons  weerstation  de  temperatuur,  luchtdruk  en  luchtvochtigheid  kunnen  meten.  De  sensoren  die  we  hiervoor  gebruiken  hebben  we  besteld  op  het  internet.  De  door  ons  gekozen  sensoren  zijn  de  DHT22  (luchtvochtigheid),  DS18B20  (temperatuur),  bmp085  (luchtdruk).  We  hebben  gekozen  voor  deze  sensoren,  omdat  de  nauwkeurigheid  van  de  sensoren  goed  was,  tegen  een  lage  prijs.    

 

 

 

5    

Het  proces  begon  met  het  uitproberen  van  de  sensoren  op  een  breadboard.  Dit  is  een  bord  waarop  je  heel  makkelijk  schakelingen  kan  bouwen.  De  verschillende  sensoren  dienen  allemaal  op  geheel  verschillende  wijze  geschakeld  te  worden.  Deze  manieren  zijn  per  sensor  allemaal  te  vinden  op  het  internet.  Hieronder  laten  we  zien  welke  sensoren  we  gebruikt  hebben  en  hoe  deze  zijn  geschakeld.  

 

Temperatuursensor  Om  de  temperatuur  te  meten  gebruiken  wij  vier  DS18B20  sensoren.  Het  is  de  bedoeling  dat  de  temperatuur  van  de  omgeving  wordt  bepaald  met  twee  sensoren  die  op  het  Arduino-‐shield  zitten.  De  twee  andere  sensoren  monteren  wij  aan  de  photomultiplier  van  de  twee  detectoren  die  al  op  het  dak  aanwezig  zijn.  Hiermee  zouden  mensen  van  het  Hisparc  project  kunnen  bepalen  of  de  temperatuur  invloed  heeft  op  de  hoeveelheid  straling  die  wordt  gemeten.  

De  sensor  heeft  drie  pinnen.  De  eerste  twee  dienen  verbonden  te  worden  met  de  ground  en  de  derde,  de  data  pin,  is  voor  de  verbinding  met  de  andere  sensor  of  als  het  de  laatste  betreft,  de  verbinding  via  een  4,7kΩ  weerstand  naar  de  5  Volt.  In  figuur  2  is  zichtbaar  hoe  

dit  geschakeld  dient  te  worden.  De  voeding  en  het  signaal  gaan  over  één  draad  in  deze  schakeling.  Deze  draad  gaat  bij  ons  in  de  digitale  ingang  3.  

   

   

 

 

 

 

 

 

 

Luchtdruksensor  De  luchtdruk  wordt  bij  ons  bepaald  met  behulp  van  de  bmp085.  De  luchtdruk  is  afhankelijk  van  hoogte  en  temperatuur.  Deze  sensor  berekent  de  temperatuur.  De  hoogte  moet  door  ons  gegeven  worden,  waardoor  de  sensor  de  luchtdruk  kan  bepalen.    

 

Figuur  1:  de  DS18B20  

Figuur  2:  De  schakeling  van  de  temperatuursensoren  

Figuur  3:  de  bmp085  [2]  

6    

De  sensor  heeft  zes  pinnen,  waarvan  er  twee  door  ons  niet  worden  gebruikt.  De  voeding  die  deze  sensor  nodig  heeft  is  3,3  Volt.  Deze  wijkt  af  van  de  standaard  5  Volt  die  de  andere  sensoren  nodig  hebben.  De  ground  en  de  voeding  moeten  net  als  de  vorige  sensoren  worden  verbonden  met  Arduino.  De  SDA  (datalijn)  wordt  verbonden  met  de  analoge  ingang  A4  en  SCL  (seriële  clock)  met  de  analoge  ingang  A5  net  zoals  in  figuur  4.  

 

 

 

 

 

Luchtvochtigheidssensor  Wij  gebruiken  de  DHT22  om  de  luchtvochtigheid  te  bepalen.  Vorig  jaar  hebben  wij  al  gewerkt  met  de  DHT11.  Deze  was  veel  minder  nauwkeurig  dan  de  DHT22.  De  DHT22  heeft  vier  pinnen,  waarvan  er  drie  pinnen  gebruikt  worden.  De  eerste  pin  moet  aangesloten  worden  op  de  5  volt  van  Arduino.  De  tweede  pin  is  de  data  pin  en  gaat  via  een  weerstand  van  10kΩ  naar  de  digitale  ingang  5  op  Arduino.  De  derde  pin  wordt  niet  gebruikt  en  de  vierde  pin  moet  naar  de  ground.    

De  luchtvochtigheid  wordt  uitgedrukt  in  de  relatieve  luchtvochtigheid.  Dat  is  het  aantal  procent  waterdamp  in  de  lucht  ten  opzichte  van  de  maximale  hoeveelheid  waterdamp  in  de  lucht  bij  die  temperatuur.  Warme  lucht  kan  meer  waterdamp  bevatten  dan  koude  lucht.  Koude  lucht  is  dus  eerder  verzadigd.  Als  er  een  plotselinge  temperatuur  stijging  plaatsvindt  dan  zal  de  relatieve  luchtvochtigheid  dus  dalen.  

 

 

 

 

 

Figuur  4:  de  schakeling  van  de  luchtdruksensor  

Figuur  5:  de  DHT22  [3]  

Figuur  6:  De  schakeling  van  de  luchtvochtigheidsensor  

7    

Alle  sensoren  Nu  werkt  alles  los,  maar  dat  is  niet  de  bedoeling.  Het  moet  allemaal  tegelijk  gaan  werken.  Om  dit  voor  elkaar  te  krijgen  dienen  wij  alle  sensoren  tegelijk  met  Arduino  te  verbinden.  Dit  hebben  wij  gedaan  zoals  weergegeven  in  Figuur  7.        

 

 

Het  solderen  We  hebben  nu  nog  een  probleem.  Het  breadboard  is  veel  te  groot  en  onhandig  om  te  gebruiken.  Het  zou  veel  handiger  zijn  als  deze  compacter  zou  zijn  en  dus  in  een  compacte  behuizing  zou  kunnen  passen.  Dit  hebben  wij  opgelost  door  alles  op  een  Arduino  shield  te  solderen.  Het  shield  komt  vervolgens  op  het  Arduino  systeembord  te  staan.  Alle  verbindingen  die  we  hebben  aangebracht  op  het  breadboard  hebben  we  overgezet  op  het  shield.  Daar  hebben  wij  met  soldeer  alle  draadjes  en  sensoren  vast  gesoldeerd.  Ook  hebben  we  alle  verbindingen  tussen  de  verschillende  draadjes  met  soldeer  gelegd.  Soldeer  is  een  legering  van  tin,  lood  en  koper.    Het  soldeer  heeft  een  lage  weerstand  en  dus  geleidt  het  stroom  goed.  Ook  is  soldeer  eenvoudig  aan  te  brengen  met  behulp  van  een  soldeerbout.    

Het  solderen  leer  je  vooral  door  het  veel  te  doen.  In  het  begin  gaat  het  wat  langzaam  en  misschien  wat  slordig,  maar  na  verloop  van  tijd  gaat  het  steeds  sneller  en  beter.  Een  techniek  die  ons  heel  erg  geholpen  heeft,  is  het  maken  van  vulkaantjes  met  het  soldeer.  Dit  is  mogelijk  door  eerst  de  pin  te  verhitten  en  vervolgens  een  stukje  soldeer  toe  te  voegen.  Dit  soldeer  zakt  voor  een  deel  naar  de  bodem  en  vormt  dus  een  vulkaantje.  Vulkaantjes  zijn  heel  stevig  en  maken  het  makkelijker  om  vervolgens  een  verbinding  aan  te  leggen  tussen  twee  pinnen  en/of  kabels.  In  het  begin  hadden  wij  deze  techniek  nog  niet  helemaal  goed  onder  de  knie  en  gebeurde  het  nog  wel  eens  dat  we  eerder  een  bol  hadden  dan  een  vulkaan.  Het  wordt  heel  slordig  op  het  moment  dat  je  daartussen  verbindingen  gaat  leggen.    

 

 

Figuur  7:  De  schakeling  waarbij  alle  sensoren  tegelijk  werken  

Figuur  8:  De  opstelling  die  wij  gebruikte  om  te  solderen  

8    

|  Hoe  schrijf  je  de  code  voor  de  metingen  in  Arduino?  We  hebben  niets  aan  een  schakeling  alleen.  De  sensoren  moeten  ook  aangestuurd  worden  door  het  systeembord.  Daarvoor  hebben  we  een  code  in  Arduino  geschreven.  Arduino  biedt  op  hun  site  een  gratis  programmeeromgeving  aan  die  gebruikt  kan  worden  om  een  Arduino  systeembord  te  programmeren  [4].  De  taal  die  in  Arduino  gebruikt  wordt  lijkt  erg  op  de  programmeertaal    ’C’.  Alle  codes  en  functies  die  je  kan  gebruiken  staan  uitgelegd  op  de  website  van  Arduino.  Arduino  biedt  ook  de  mogelijkheid  om  ‘libraries’  te  gebruiken.  Dat  zijn  al  voorgeschreven  codes  van  Arduino  of  van  de  fabrikant  van  een  sensor,  waarmee  je  gemakkelijk  een  functie  kan  toevoegen  aan  je  code  zonder  die  helemaal  te  hoeven  overschrijven.  Er  zijn  bijvoorbeeld  libraries  die  de  ijking  van  een  bepaalde  sensor  bevatten.  Bij  vrijwel  elke  sensor  die  we  hebben  gebruikt  had  de  fabrikant  of  Arduino  zelf  al  een  voorbeeld  programma  gemaakt  voor  die  specifieke  sensor,  om  hem  te  kunnen  testen.    

             

Een  ‘sketch’  (zo  wordt  een  programma  in  Arduino  genoemd)  bestaat  uit  3  hoofddelen.  Bovenaan  een  sketch    kan  je  libraries  importeren,  pinnen  definiëren  en  variabelen  aanmaken  [*1].  Daaronder  heb  je  Void  Setup  [*2]  en  Void  Loop  [*3].  De  Void  Setup  wordt  vooral  gebruikt  om  de  bitrate,  dat  is  de  communicatie  snelheid  waarmee  Arduino  informatie  stuurt,  vast  te  leggen.  Ook  wordt  het  veel  gebruikt  om  libraries  op  te  starten  (of  te  definiëren).  De  Void  Loop  is  het  deel  van  het  programma  dat  de  hele  tijd  herhaald  wordt.  Voor  ons  is  dat  dus  het  uitlezen  van  de  sensoren  en  het  verwerken  van  de  gegevens.  Na  de  Void  Loop  kunnen  er  ook  nog  functies  aangemaakt  worden,  maar  die  moeten  dan  wel  in  de  Void  Loop  gebruikt  worden.  Wij  hebben  deze  laatste  optie  uiteindelijk  niet  gebruikt,  omdat  het  niet  nodig  bleek  te  zijn  [5].    

Onze  code  bestaat  uit  verschillende  delen  van  de  standaard  programma’s  die  we  hebben  samengevoegd  en  aangepast  aan  onze  wensen.  Door  het  gebruik  van  libraries,  aantekeningen  en  handige  codes  hebben  wij  de  uiteindelijke  code  voor  Arduino  compact  en  overzichtelijk  weten  te  houden.    

 

               

*  Op  de  volgende  pagina  staat  onze  Arduino  code  [*1]  regels  1  -‐  15  [*2]  regels  16-‐25  [*3]  regels  26-‐57

Figuur  9:  Arduino  programmeeromgeving  

9    

#include                                //  Alle  Libraries  aanroepen  1  #include                            //  "    "        2  #include                          //  "    "  3  #include      //  "    "  4  #include                                  //  "    "  5  dht  DHT;                                                //  "    "  6    7  #define  DHT22_PIN  5                      //  Luchtdruksensor  op  Pin  5  (met  10K  weerstand  op  5V)  8  #define  ONE_WIRE_BUS  3                //  2x  Temperatuursensoren  op  Pin  3  (met  4.7K  weerstand  op  5V)  9  BMP085  dps  =  BMP085();                //  Druksensor  op  Analoge  Pin  A4  en  A5  (op  3,3V)  10    11  OneWire  oneWire(ONE_WIRE_BUS);                      //  Lib:  OneWire  is  nodig  om  contact  maken  met  ingang  D3.  12  DallasTemperature  sensors(&oneWire);          //  oneWire  reference  naar  Lib:  Dallas  Temperature.  13  long  Temperature  =  0,  Pressure  =  0,  Altitude  =  0;  14    15      //-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐  16      //  De  Setup  17      //-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐  18  void  setup()  {  19      Serial.begin(9600);  20      Wire.begin();  21      dps.init(MODE_ULTRA_HIGHRES,  550,  true);    //  550  hoogte  in  cm  ten  opzichte  van  NAP  22      sensors.begin();  //  Start  de  library  23  }                          24    25      //-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐  26      //  De  Loop  27      //-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐  28  void  loop(void)  {    29        30          //  Luchtdruk  sensor  31                  dps.getPressure(&Pressure);  32                  dps.getAltitude(&Altitude);  33                  34          //  Temperatuur  sensoren  35                  sensors.requestTemperatures();  36                37          //Luchtvochtigheidssensor  38                  uint32_t  start  =  micros();  39                  int  chk  =  DHT.read22(DHT22_PIN);  40                  uint32_t  stop  =  micros();  41    42  //Print  43  Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0));  44  Serial.print(",");  45  Serial.print(sensors.getTempCByIndex(1));  46  Serial.print(",");  47  Serial.print(sensors.getTempCByIndex(2));  48  Serial.print(",");  49  Serial.print(sensors.getTempCByIndex(3));  50  Serial.print(",");  51  Serial.print(Pressure);  52  Serial.print(",");  53  Serial.print(DHT.humidity,  1);  54  delay(298923);  //  5  minuten  wachten  tot  de  volgende  meting  55  //  per  minuut  is  er  ongeveer  1077  ms  aan  delay.  56  }  57  

Figuur  10:  De  Arduino  code  

    10  

|  Hoe  laten  we  Arduino  data  wireless  verzenden?    Het  is  niet  handig  om  een  kabel  te  moeten  leggen  tussen  Arduino  en  de  computer.  Dit  probleem  kan  heel  gemakkelijk  worden  opgelost  door  een  zender  te  gebruiken.  Het  is  de  bedoeling  dat  Arduino  op  het  dak  van  de  school  komt  te  staan  en  vervolgens  alle  data  naar  de  Hisparc  computer  van  onze  school  verzendt.  Wij  hebben  ervoor  gekozen  om  de  APC-‐220  module  te  gebruiken.  De  APC-‐220  module  is  een  relatief  makkelijk  in  te  stellen  zender.  Het  is  mogelijk  om  de  zender  via  een  ander  programma  dan  Arduino  uit  te  lezen.  In  open  lucht  kan  hij  tot  een  afstand  van  1,2  km  data  blijven  verzenden.  

Deze  zender  heeft  zeven  pinnen,  de  meest  rechtse  in  het  plaatje  moet  verbonden  worden  met  de  ground  op  Arduino.  De  tweede  pin  moet  naar  de    5  volt.  De  andere  pin  die  wij  gebruiken  is  de  RXD.  Deze  is  voor  het  verzenden  informatie.  De  RXD  schakelen  we  naar  de  digitale  ingang  1.  

Het  meten  van  gegevens  op  afstand  en  die  vervolgens  versturen  naar  een  andere  locatie  wordt  telemetrie  genoemd.  Wij  gebruiken  dit  principe  om  de  temperatuur,  luchtvochtigheid  en  luchtdruk  op  het  dak  van  de  school  te  meten  en  die  vervolgens  naar  een  computer  op  onze  school  te  sturen.  Dit  wordt  mogelijk  gemaakt  door  middel  van  radiogolven.  Deze  radiogolven  zorgen  voor  de  overdracht  van  informatie.  Alle  informatie  van  een  zender  wordt  overgebracht  naar  een  ontvanger.    Wij  gebruiken  radiogolven  met  een  frequentie  van  434700  MHz  .  Het  is  heel  belangrijk  dat  de  frequentie  waarop  de  zender  verstuurt  en  de  ontvanger  ontvangt  hetzelfde  zijn  anders  werkt  het  niet.  Niet  alle  frequenties  zijn  toegestaan.  Het  is  niet  de  bedoeling  dat  hobbyisten  bijvoorbeeld  het  vliegverkeer  verstoren.  Om  dit  te  voorkomen  zijn  er  een  aantal  frequenties  vrijgegeven  voor  amateurs,  die  informatie  willen  verzenden.  Om  aan  deze  eisen  te  voldoen  hebben  wij  gebruik  gemaakt  van  Arduino  en  de  bijgeleverde  code  voor  de  zender.  Daarmee  hebben  wij  de  frequentie  van  de  zender  ingesteld,  waarna  het  mogelijk  was  om  onze  data  wireless  te  verzenden.  

Ons  weerstation  werkt  nu  draadloos,  maar  alle  waarden  die  wij  nu  meten  worden  nog  weergegeven  in  een  seriële  monitor  van  Arduino.  Hier  kunnen  wij  eigenlijk  niets  mee,  deze  data  kan  niet  goed  verwerkt  worden.  Dit  maakt  Arduino  heel  beperkt,  maar  hier  is  een  handige  en  zeer  eenvoudige  oplossing  voor  te  vinden;  Python.  Python  is  een  programmeertaal  die  data  snel  kan  verwerken  en  veel  mogelijkheden  heeft.  Dit  komt  goed  uit  bij  het  verwerken  van  onze  data.  

Ook  voor  Python  hebben  wij  een  code  moeten  schrijven.  Dit  hebben  wij  gedaan  in  Cannopy,  een  handig  medium  om  een  Python  code  te  schrijven  en  meteen  te  testen.  Wij  zijn  gestart  met  een  code  van  een  andere  Python  gebruiker.  Hiermee  zijn  wij  verder  aan  de  slag  gegaan.  We  hebben  deze  code  aan  onze  eisen  aangepast.    De  data  die  we  via  de  ontvanger  binnen  krijgen  schrijven  we  via  Python  weg  in  een  tekstbestand.  Een  lange  tijd  hadden  we  hier  problemen  mee,  omdat  in  ons  bestand  af  en  toe  gegevens  niet  goed  weergegeven  werden.  

 Dit  hebben  we  opgelost  door  drie  voorwaarden  op  te  stellen  waar  de  data  die  we  binnenkrijgen  aan  moeten  voldoen,  voordat  ze  worden  weggeschreven  [*4].  De  gegevens  mogen  niet  dezelfde  gegevens  zijn  als  de  laatste  meting,  er  mag  niet  niks  gemeten  worden  en  ze  moeten  groter  zijn  dan  een  bepaalde  lengte.  

Figuur  11:  De  schakeling  van  de  zender  

*  Op  de  volgende  pagina  staat  onze  Python  code  [*4]  regel  43  

11    

import  msvcrt  1  import  serial  2  import  datetime  3  import  time  4  import  collections  5    6  today  =  datetime.date.today()  7    8  def  get_first_valid_port():  9          #  Windows  10          found  =  False  11          port_number  =  0  12          while  not  found  and  port_number  <  256:  13                  try:  14                          s  =  serial.Serial(port_number)  15                          s.close()  16                          found  =  True  17                  except  serial.SerialException:  18                          port_number  +=  1  19          if  found:  20                  return  'COM'  +  str(port_number  +  1)  21          return  None  22    23  port_id  =  get_first_valid_port()  24    25  if  not  port_id:  26          print  "Could  not  find  any  available  serial  port."  27          exit(0)  28  else:  29          print  "Connecting  to  port",  port_id  30    31  port  =  serial.Serial(port_id,  baudrate=9600,  parity=serial.PARITY_NONE,  bytesize=serial.EIGHTBITS,  32  stopbits=serial.STOPBITS_ONE,  timeout=1.0)  33  port.setRTS(0)  34    35  prev_output  =  []  36    37  while  True:  38          output  =  port.read(500)  39          a  =  len(output)  40          print  a  41            42          if  output  !=  ''  and  prev_output  !=  output  and  a  >  30:      43                  #  Check  output  not  empty  and  if  not  equal  to  previous  output  and  if  output  string  is  greater  than  30  44            45                  if  output:  46                          file  =  open(".\Documents\Arduino\MetingenV2\Metingen.txt",  "a")  47                          file.write(output  +  "    {:%d,  %b  %Y}  |  ".format(today)  +  (time.strftime("%H:%M:%S"))  +  "\n")  48                          file.close()  49                          prev_output  =  output  50                  if  msvcrt.kbhit()  and  msvcrt.getch()  ==  's':  51                          break  52  

Figuur  12:  De  Python  code  

    12  

|  Hoe  beschermen  we  Arduino  tegen  verschillende  weersomstandigheden?      Theoretisch  gezien  zijn  we  nu  klaar  met  ons  weerstation.  Via  Arduino  lezen  we  met  de  verschillende  sensoren  de  temperatuur,  luchtvochtigheid  en  luchtdruk  uit.  Die  gegevens  worden  vervolgens  via  de  zender  doorgestuurd  naar  onze  computer.  In  de  praktijk  zijn  we  echter  nog  niet  klaar.  Als  we  nu  ons  station  buiten  zouden  zetten  dan  zal  hij  niet  lang  blijven  werken.    

De  moeilijkheid  bij  het  bouwen  van  een  werkend  weerstation  is  niet  alleen  de  sensoren  werkend  krijgen.  We  moeten  er  ook  voor  zorgen  dat  de  apparatuur  in  staat  is  de  milieuwaarden  af  te  lezen  en  tegelijkertijd  moeten  we  de  apparatuur  ook  beschermen  tegen  diezelfde  milieuomstandigheden.    

Een  van  de  belangrijkste  zaken  is  om  ons  weerstation  zo  waterdicht  mogelijk  te  maken.  Als  er  water  in  het  systeem  komt,  kan  er  kortsluiting  ontstaan  en  zal  alles  kapot  gaan.  Bovendien  kunnen  we  dan  geen  juiste  waarden  meer  meten.    

Het  proces  met  het  kiezen  van  een  ontwerp  heeft  bij  ons  een  lange  tijd  geduurd.    We  hebben  veel  getwijfeld  over  de  manier  waarop  en  het  materiaal  waarvan  we  onze  behuizing  zouden  maken.  Op  het  internet  waren  niet  veel  zelfgemaakte  weerstations  te  vinden,  althans  weerstations  die  beschermd  waren  tegen  verschillende  weersomstandigheden.  We  hebben  wel  ideeën  opgedaan,  maar  we  zijn  uiteindelijk  zelf  tot  ons  ontwerp  gekomen.    

Uiteindelijk  is  onze  keuze  voor  het  materiaal  van  de  behuizing  gevallen  op  hout.  Hout  is  makkelijk  bewerkbaar,  in  tegenstelling  tot  plastic  en  metaal.  Bovendien  hadden  we  het  meeste  gereedschap  al  klaar  liggen,  evenals  het  materiaal.  

We  zijn  begonnen  met  een  oud  bierkrat  dat  we  nog  hadden  liggen.  Het  bierkrat  was  aan  alle  kanten  open.  Dat  was  op  zich  goed  voor  de  stroming  van  de  lucht  maar  we  moesten  de  openingen  wel  inperken  vanwege  neerslag.  Aan  alle  kanten  hebben  we  er  houten  plankjes  opgetimmerd.  We  hielden  ruimte  over  die  groot  genoeg  was  voor  een  goede  luchttoevoer,  maar  klein  genoeg  om  het  meeste  water  vanaf  de  zijkant  tegen  te  houden.  

Figuur  13:  Het  onbewerkte  houten  kistje  

Figuur  14:  Het  maken  van  de  behuizing  

Figuur  15:  De  behuizing    

13    

Onze  grootste  uitdaging  was  de  bovenkant  ook  helemaal  waterdicht  te  maken.  Tijdens  ons  ontwerpproces  hebben  we  veel  verschillende  materialen  en  ontwerpen  overwogen.  Naast  neerslag  moesten  we  er  ook  voor  zorgen  dat  de  wind  geen  grip  op  het  dak  kon  krijgen.  We  hadden  drie  mogelijkheden;  een  plat  dak,  een  bol  dak  en  een  punt  dak.  Ons  eerste  idee  was  om  een  punt  dak  te  maken.  Een  voordeel  daarvan  zou  zijn  dat  er  geen  sneeuw  of  regen  op  zou  kunnen  blijven  liggen.  Maar  een  nadeel  van  dat  plan  zou  zijn  dat  een  punt  dak  niet  uit  een  doorlopend  stuk  hout  gemaakt  kan  worden.  Er  zou  bovenaan  dus  een  spleet  ontstaan,  waarlangs  water  naar  binnen  zou  kunnen  gaan  druppelen.  Bovendien  vangt  een  punt  dak  meer  wind  van  de  zijkant  en  is  een  punt  dak  lastiger  te  monteren  dan  een  plat  dak.  

Een  bol  dak,  van  plastic  of  metaal,  zou  deze  problemen  oplossen  omdat  het  weinig  wind  vangt  en  neerslag  goed  kan  afvoeren.  Helaas  konden  we  geen  grote  ronde  bak  vinden  die  groot  genoeg  was  om  onze  kist  af  te  dekken.    

We  hebben  dus  gekozen  voor  een  plat  dak.  We  hadden  nog  een  grote  badkamertegel,  die  we  voor  ons  project  konden  gebruiken.  Dit  soort  steen  is  perfect  om  water  buiten  te  houden,  aangezien  dat  precies  is  waar  het  voor  gemaakt  is  (maar  dan  in  een  badkamer).  Aan  alle  kanten  van  de  kist  hebben  we  een  paar  centimeter  overhang  aangebracht  zodat  er  geen  neerslag  tussen  de  gleuven  van  de  planken  zal  kunnen  gaan.  Aan  de  onderkant  van  de  tegel  hebben  we  plankjes  vastgezet  zodat  de  tegel  niet  kan  gaan  schuiven.  Om  de  tegel  goed  op  zijn  plaats  te  houden  doen  we  een  band  of  touw  om  de  tegel  en  de  kist  heen,  zodat  die  niet  weg  kan  waaien.  We  hebben  aan  beide  zijkanten  hengsels  gemaakt  waar  we  het  touw  doorheen  knopen.  

Nu  we  het  dak  op  zijn  plaats  hebben  zijn  we  bijna  klaar.  Voor  Arduino  hebben  we  een  plastic  bakje  gemaakt  als  tweede  bescherming,  mocht  er  toch  water  gaan  lekken.  Ook  willen  we  onze  kist  nog  extra  beschermen  tegen  houtrot  wat  na  enige  tijd  problemen  zou  kunnen  veroorzaken.  Om  ons  hout  daartegen  te  beschermen  moeten  we  ervoor  zorgen  dat  neerslag  niet  in  de  kiertjes  zou  kunnen  blijven  zitten  en  dus  opgenomen  zou  kunnen  worden  door  het  hout.  Wij  hebben  ervoor  gekozen  om  het  water  weg  te  houden  door  middel  van  beitsen.  Beitsen  is  het  lakken  van  hout  om  het  te  beschermen  tegen  vocht,  vuil  en  slijtage.  Eerst  hebben  we  het  gladde  oppervlak  van  onze  behuizing  geschuurd  om  het  een  beetje  ruw  te  maken.  Op  ruw  hout  kan  beits  namelijk  beter  blijven  zitten.  

 

Figuur  16:  Het  moet  er  zo  uit  gaan  zien  

Figuur  17:  De  gebeitste  behuizing  

14    

Uiteindelijk  product  Ons  uiteindelijk  product  is  een  werkend  weerstation  met  behulp  van  Arduino  en  Python  dat  op  het  dak  van  de  school  komt  te  staan.  Daar  zal  hij  de  temperatuur,  luchtvochtigheid  en  luchtdruk  gaan  meten.  Vervolgens  wordt  deze  data  verstuurt  naar  een  computer  op  onze  school.  Op  deze  computer  wordt  alle  data  vervolgens  weggeschreven  in  een    tekst  bestand.  

Het  maken  van  een  grafiekje  met  deze  data  is  ook  eenvoudig.  Het  is  mogelijk  om  de  data  te  importeren  in  een  tabel  in  Excel.  Hier  kan  vervolgens  een  grafiek  mee  worden  gemaakt.  Dit  is  zichtbaar  in  figuur  19  en  20.    

Deze  grafieken  kunnen  vergeleken  worden.  Er  kunnen  verbanden  worden  gelegd  tussen  bijvoorbeeld  de  luchtvochtigheid    en  de  temperatuur.  In  onze  grafieken  is  duidelijk  zichtbaar  dat  op  het  moment  dat  de  temperatuur  stijgt  de  relatieve  luchtvochtigheid  daalt.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  18:  Voorbeeld  van  metingen  in  tekstbestand  

15    

 

 

99500  

100000  

100500  

101000  

101500  

102000  

0:00:00   2:24:00   4:48:00   7:12:00   9:36:00  12:00:00  14:24:00  16:48:00  19:12:00  21:36:00  0:00:00  

Luchtdruk    in  Pascal  

Tijd  in  uur:min:sec  

3  Februari  2015  

0  

5  

10  

15  

20  

25  

0:00:00   2:24:00   4:48:00   7:12:00   9:36:00  12:00:00  14:24:00  16:48:00  19:12:00  21:36:00  0:00:00  

Temperatuur    in  Celsius  

Tijd  in  uur:min:sec  

3  Februari  2015  

0  

20  

40  

60  

80  

100  

0:00:00   2:24:00   4:48:00   7:12:00   9:36:00  12:00:00  14:24:00  16:48:00  19:12:00  21:36:00  0:00:00  

RelaXeve  LuchtvochXgheid  

Tijd  in  uur:min:sec  

3  Februari  2015  

Figuur  19:  Voorbeeld  van  metingen  in  grafiek  (3  februari  2015)  

16    

 

   

0  

20  

40  

60  

80  

100  

0:00:00  2:24:00  4:48:00  7:12:00  9:36:00  12:00:00  14:24:00  16:48:00  19:12:00  21:36:00  0:00:00  

RelaXeve  LuchtvochXgheid      

Tijd  in  uur:min:sec  

17  Oktober  2014  

99000  

99500  

100000  

100500  

101000  

101500  

102000  

0:00:00   2:24:00   4:48:00   7:12:00   9:36:00  12:00:00  14:24:00  16:48:00  19:12:00  21:36:00  0:00:00  

Luchtdruk    in  Pascal  

Tijd  in  uur:min:sec  

17  Oktober  2014  

0  

5  

10  

15  

20  

25  

0:00:00   2:24:00   4:48:00   7:12:00   9:36:00  12:00:00  14:24:00  16:48:00  19:12:00  21:36:00  0:00:00  

Temperatuur    in  Celsius  

Tijd  in  uur:min:sec  

17  Oktober  2014  

Figuur  20:  Voorbeeld  van  metingen  in  grafiek  (17  oktober  2015)  

17    

Conclusie  Hoe  maken  we  een  wireless  weerstation  die  data  meet  en  verstuurt?    Je  kan  een  goed  werkend  weerstation  maken  als  je  netjes  werkt,  je  ervoor  inzet,  er  echt  zin  in  hebt,  aandacht  besteedt  aan  de  details  en  goed  logisch  nadenkt.  Het  is  geen  project  dat  je  even  tussendoor  doet,  maar  als  je  weerstation  eenmaal  werkt  geeft  het  je  veel  voldoening.      

Hoe  maak  je  van  een  aantal  sensoren  een  geheel?    Onderzoek  hoe  andere  mensen  het  voor  jou  hebben  gedaan  en  bestel  onderdelen  waarvan  je  weet  dat  ze  goed  met  elkaar  samenwerken.  Test  je  opstelling  goed  voordat  je  het  vast  gaat  zetten  en  solderen.    Hoe  schrijf  je  de  code  voor  de  metingen  in  Arduino?  Gebruik  de  meegeleverde  codes  van  Arduino  of  van  de  fabrikant.  Die  verander  je  naar  je  eigen  wensen  en  mocht  je  er  niet  uit  komen,  doorzoek  dan  de  website  van  Arduino  of  vraag  hulp  aan  andere  mensen  die  met  Arduino  werken.    Hoe  laten  we  Arduino  data  wireless  verzenden?    Zoek  een  zender  uit  die  aan  je  eisen  voldoet  en  bekijk  goed  hoe  hij  werkt.  Volg  de  instructies  van  de  fabrikant  op  en  als  je  er  niet  uitkomt,  bekijk  dan  nog  eens  goed  hun  website  of  het  werk  van  anderen.  Check  de  frequentie  die  je  gebruikt  goed!    Hoe  beschermen  we  Arduino  tegen  de  weersomstandigheden  zoals  regen?    Het  beste  is  om  je  systeem  in  een  waterdichte  kist/doos  te  doen,  plastic  is  daar  een  goede  optie  voor.  Mocht  dat  niet  handig  zijn  dan  kan  je  ook  hout,  steen  of  metaal  gebruiken.  Zorg  bij  metaal  en  hout  dat  je  het  materiaal  goed  beschermt  tegen  water,  omdat  water  bij  hout  houtrot  kan  veroorzaken  en  bij  metaal  roest.  

 

 Discussie  

 Omdat  we  vorig  jaar  al  voor  een  deel  met  Arduino  gewerkt  hebben,  hadden  we  al  een  goed  beeld  van  hoe  moeilijk  dit  project  zou  worden.  Onze  verwachtingen  over  dit  project  zijn  dan  ook  wel  redelijk  uitgekomen.    

 

 

18    

Reflectie    Eén  van  de  sterke  punten  van  ons  werkstuk  is  dat  we  op  tijd  begonnen  zijn  met  het  praktische  gedeelte.  Daardoor  hebben  we  alles  werkend  gekregen,  zoals  we  in  het  begin  wilden  hebben.  Ook  is  de  samenwerking  tussen  ons  tweeën  erg  goed  gegaan  en  hebben  we  allebei  een  even  grote  bijdrage  geleverd.  Wat  wellicht  beter  had  gekund  is  dat  we  meer  sensoren  op  ons  weerstation  zouden  kunnen  plaatsen.  Een  lichtsensor  zou  misschien  wel  interessant  geweest  zijn,  omdat  we  dan  de  dag-‐  en  nachtcyclus  bij  zouden  kunnen  houden.  Ook  zou  een  windkrachtmeter  interessant  geweest  zijn.  Hier  hebben  we  wel  naar  gekeken  maar  dat  zou  rond  de  €60  extra  kosten  en  dat  wilden  we  er  niet  aan  uitgeven.      

Wat  we  nu  meten  op  ons  schoolgebouw  is  natuurlijk  leuk,  maar  het  zou  betere  resultaten  opleveren  als  meerdere  van  deze  weerstations  over  heel  Nederland  geplaatst  zouden  worden.  Dan  zou  je  al  kunnen  beginnen  met  voorspellingen  maken.  Als  je  er  een  regensensor  aan  vastmaakt  zou  je  bijvoorbeeld  verschillende  buien  over  Nederland  zien  verplaatsen  en  je  zou  dan  kunnen  berekenen  hoe  lang  het  duurt  voordat  die  in  Amsterdam  zou  aankomen.    

We  vonden  het  een  erg  interessant  profielwerkstuk,  omdat  we  geleerd  hebben  dat  dit  soort  projecten  echt  te  doen  zijn  als  je  er  maar  voor  inzet.  Het  is  niet  moeilijk  en  met  wat  onderzoek,  doorzettingsvermogen  en  gezond  verstand  kan  je  echt  ver  komen.  Er  zijn  vast  andere  mensen  die  dit  voor  ons  hebben  gedaan,  maar  het  voelt  toch  bijzonderder  dan  een  literatuuronderzoek.  We  hebben  ook  iets  neergezet  dat  er  waarschijnlijk  meerdere  jaren  kan  blijven  staan  en  waar  onze  school  en  het  Hisparc  project  nog  profijt  van  kunnen  hebben.  En  dat  is  toch  wel  het  leukste  van  dit  alles.  

 

 

Literatuurlijst  [1]  en  [5]  http://arduino.cc  

[2]http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__26917__Arduino_Barometric_Pressure_Sensor_BMP085_Breakout.html  

[3]  http://www.3bm.de/2013/09/15/batteriebetriebene-‐funk-‐temperatursensoren-‐fuer-‐arduino/    

[4]  http://arduino.cc/en/Main/Software  

   

19    

Logboek  Datum   Uren   Activiteiten  /  Problemen  26-‐8-‐2014   4   Opstarten  profielwerkstuk.  Bedenken  deelvragen  en  hoofdvraag.  28-‐8-‐2014   0,25   Bespreking  met  begeleider  -‐  plan  van  aanpak  2-‐9-‐2014   1,25   Sensoren  +  Arduino  ontvangen.  Druksensor  schakeling  op  het  breadboard  

getest.  5-‐9-‐2014   1,5   Temperatuur  sensor  getest  op  breadboard.  Arduino  heeft  problemen  met  

herkennen  van  sensoren.  10-‐9-‐2014   0,5   Arduino  code  geschreven  /  uitgeprobeerd  19-‐9-‐2014   1,5   Luchtvochtigheid  sensor  getest  op  breadboard.  We  konden  er  geen  

waardes  uit  krijgen.  20-‐9-‐2014   3   Sensoren  op  breadboard  controleren.  Alles  werkt  behalve  de  

luchtvochtigheidssensor.  24-‐9-‐2014   0,5   Bespreking  met  begeleider  –  problemen  besproken,  wat  hebben  we  al  6-‐10-‐2014   6,5   Gewerkt  op  het  Nikhef.  Luchtvochtigheid  werkend  gemaakt  op  het  

breadboard.  Zender  ingesteld,  uitgeprobeerd  etc.  Begin  met  Python.  8-‐10-‐2014   5   Arduino  code  samengevoegd  en  netter  gemaakt.  Python  code  geschreven  

voor  het  uitlezen  van  de  seriële  poort.    28-‐10-‐2014   1,75   Extra  temperatuur  sensoren  toegevoegd  aan  de  schakeling,  alles  getest  en  

kleine  problemen  opgelost.  16-‐11-‐2014   3,75   Ideeën  bedacht  voor  de  behuizing.  Materialen  verzameld,  planken  gezaagd  

en  begonnen  met  in  elkaar  zetten.  17-‐11-‐2014   2,5   Behuizing  afgemaakt.  25-‐11-‐14   3   Begin  van  het  verslag  gemaakt,  solderen  van  de  schakelingen  van  het  

breadboard  op  ons  Arduino  shield.  3-‐12-‐2014   2,5   Solderen,  problemen  met  de  Arduino  code  oplossen  en  slimme  

oplossingen  bedenken  om  onze  schakelingen  tegen  water  te  beschermen  .  4-‐12-‐2014   1,5   Solderen,  code  veranderingen  aanbrengen  en  test  metingen.  8-‐12-‐2014   7   Op  het  Nikhef  gewerkt,  alle  schakelingen  vast  gesoldeerd  en  aan  

problemen  met  de  Python  code  gewerkt.  10-‐12-‐2014   0,60   Verder  aan  de  behuizing  gewerkt.  13-‐12-‐2014   1,20   Behuizing  afgemaakt,  tegel  als  dak  met  plankjes  (gezaagd).  14-‐12-‐2014   1,5   Schrijven  verslag.  15-‐12-‐2014   2,20   Schrijven  verslag.  16-‐12-‐2015   1   Schrijven  verslag.  17-‐12-‐2015   5   Schrijven  verslag.  18-‐12-‐2014   7,5   Schrijven  verslag,  foto’s  gemaakt,  testmetingen  en  code  verbeteren.  23-‐1-‐2015   4   Verslag  verbeteren  en  een  fout  met  het  solderen  verbeterd.  27-‐1-‐2015   1   Verslag  verbeteren.  28-‐1-‐2015   1   Logboek  schrijven.  31-‐1-‐2015   1,5   Gegevens  verwerken.  1-‐2-‐2015   3   Een  aantal  kabeltjes  vervangen.  Probleem  bespreking.  2-‐2-‐2015   4   Verslag  verbeteren  en  meting  opgezet.  4-‐2-‐2015   2   Grafiekjes  maken.  5-‐2-‐2015   4   Laatste  aanpassingen  aan  het  verslag.              Totaal   85,50    

20