Abstract

Ik maak veel gebruik van het APRS netwerk: positiebepaling, telemetry en berichten versturen; ik doe het allemaal. Dit kan omdat ik dicht bij de Duitse grens woon: anders dan in Nederland waar het APRS netwerk dankzij lastige regelgeving nagenoeg is verdwenen, is in Duitsland het netwerk nog springlevend. Ik maak gebruik van Duitse digipeaters en iGates, die gewoon berichten vanaf het internet mogen doorzenden. Wat een geluk! Het enige wat ik nog niet kon, was weergegevens delen via het netwerk. Om daar verandering in te brengen heb ik een weerstation ontworpen dat elke 10 minuten een weerbericht kan uitzenden via het APRS netwerk. En omdat het systeem zo’n 100 meter van mijn huis in de acchtertuin staat, heb ik er ook een 5 GHz hamnet verbinding naar toe gemaakt, zodat ik het systeem op afstand kan bedienen. Het hamnet gebruik ik ook om de weermetingen naar mijn Grafana dashboard te sturen. Oh, en omdat twee beter is dan een heb ik er ook een 20KB/s hamnet link over 70cm LoRa als backup in geknutseld.

Weerstation

Als uitgangspunt van het weerstation gebruik ik de SparkFun Weather Meter. Dit is een kit met drie sensors: een windvaan, een anemometer en een regenmeter. Deze kit heb ik aangevuld met sensors voor temperatuur, luchtdruk en luctvochtigheid. Al deze sensors zijn rechtstreeks aangesloten op een Arduino Mini Pro. Ik heb daar een RS-485 driverchip en een ompoolbeveiliging aan toegevoegd. Het uiteindelijke schema is hieronder te zien. Ingewikkeld is de hardware niet, want alle fuctionaliteit zit in de software.

Het weerstation is uit te lezen via een ModBus interface. Dit is een industriestandaard, dus er zijn legio mogelijkheden om met het weerstation te communiceren. De ModBus registers bevatten de meetwaarden van de sensors en worden elke twee seconde ververst. Dit bepaald dus de maximale uitleesfrequentie. De volgende gegevens zijn beschikbaar:

Windrichting in graden
Gemiddelde wind snelheid van de laatste 10 minuten in m/s
Maximale windstoot van de laatste 10 minuten in m/s
Hoeveelheid regen in het afgelopen uur in mm
Hoeveelheid regen in de afgelopen 24 uur in mm
Temperatuur in graden C
Luchtvochtigheid in %
Luchtdruk in hPa

Daarnaast zijn er nog een aantal statusregisters beschikbaar. Deze worden besproken in de uitgebreide bouwbeschrijving die beschikbaar is op mijn website.

De luchtvochtigheidssensor kan bij een hoge luchtvochtigheid verzadigd raken en zo blijven steken op 100%. Om dit te voorkomen is het mogelijk om de sensor automatisch te laten verwarmen wanneer de luchtvochtigheid langer dan een uur boven de 96% is. De verwarming wordt dan elke 20 minuten voor 5 minuten aangezet. In de 15 minuten die overblijven koelt de sensor weer af tot de omgevingstemperatuur. Dit proces wordt heraald totdat de sensor weer een waarde beneden de 96% aangeeft. Tijdens het opwarmen en afkoelen kan de luchtvochtigheid en temperatuur maar eens in de 20 minuten worden gemeten. Dit is de prijs die betaald moet worden wanneer we een goedkope luchtvochtigheidssensor gebruiken.

APRS

Om de weermetingen te kunnen uitzenden via het APRS netwerk is er een 2 meter FM zender (een oude Alinco portofoon) en een 1200baud modem (een variant op het MicroModem van markqvist) nodig. En een computer om de gegevens via de ModBus uit het weerstation te lezen en door te sturen naar het modem. Een Raspberry Pi Zero 2W is daar perfect geschikt voor. Deze is goedkoop, klein en verbruikt weinig energie. Omdat een APRS weerstation ook zijn positie en tijd moet doorgeven om op de kaart gezet te kunnen worden is er een GPS module via USB aangesloten op de Raspberry Pi. Strikt genomen is de tijd niet noodzakelijk en omdat het station vast is opgesteld kan de positie ook handmatig worden ingesteld, maar een gps module voegt weer extra complexiteit toe en dat maakt het project net weer wat interessanter. Een eenvoudig Python programma leest het weerstation uit, vraagt de positie en de tijd van de gps ontvanger op en construeerd het APRS frame dat uitgezonden moet worden. Dit frame wordt vervolgens via de Linux AX.25 stack naar het modem gestuurd.

Omdat APRS over LoRa op de 70cm band steeds poulairder wordt heb ik ook een LoRa module op de Raspberry Pi aangeloten. Het weerbericht kan zo ook via LoRa worden uitgezonden. De software hiervoor is een in Python geschreven KISS interface. Via deze software kan de LoRa module gekoppeld worden aan de AX.25 stack. De Raspberry Pi ziet het modem als elk ander KISS compatible modem.

Met een diplexer worden de signalen van beide zenders samengevoegd en gaan zo naar een dualband antene.

HamNet

Het syteem kan autonoom werken, maar het is handig (en noodzakelijk) om het systeem van afstand te kunnen bedienen en wanneer dat nodig is ook uit te kunnen schakelen. Daarvoor heb ik een 5GHz HamLink tussen het huis en het weerstation aangelegt. Op deze manier heb ik een snelle netwerkverbinding naar de Raspberry Pi en kan ik via telnet inloggen en het systeem bedienen. De verbindig wordt ook gebruikt om verbindig te maken met het APRS-IS netwerk op het internet. Zo doet mijn weerstation ook dienst als RX-only iGate voor zowel traditioneel APRS als LoRa APRS. De HamNet link maakt gebruik van commercieel verkrijgbare schotels. Ik gebruik apparatuur van Unifi Ubiquiti, maar apparatuur van Mikrotik is even goed geschikt.

De snelle netwerkverbinding is handig, maar wanneer het systeem autonoom werkt is het wel een beetje een overkill, want de verbinding wordt dan enkel gebruikt om APRS berichten door te sturen naar het APRS-IS netwerk. Daarom heb ik ook nog een lage snelheid netwerkverbinding geintegreerd. Deze heeft een doorvoersnelheid van iets meer dan 20KB/s, wat genoeg is voor de toepassing. Het is zelfs mogelijk om via deze langzame verbinding in te loggen via telnet. Dat gaat dan wat trager, maar als backup is het prima geschikt. Zo heb ik twee manieren om het systeem van afstand te beheren. De verbinding gaat over LoRa via de 70cm band. Hiervoor gebruik ik een kant en klaar board, een LilyGO TTGO T3 LoRa32 433MHz V1.6.1 ESP32. Hierop heb ik de Rnode firmware van unsigned.io gezet. Met de bijbehorende Linux software (tncattach) wordt dit een netwerkinterface onder Linux waarover ik het netwerkverkeer kan leiden.

Meer informatie

Dit artikel is slechts een introductie van het APRS weerstation. Meer informatie is te vinden op mijn website https://meezenest.nl/mees Daar vind je uitgebreide documentatie en alle ontwerpbestanden en broncode die je nodig hebt om zelf aan deslag te gaan.

Verantwoording

Bouwbeschrijving weerstation: https://www.meezenest.nl/mees-elektronica/projects/weather_station/build_doc/weather_station.html

1200bd modem: https://www.meezenest.nl/mees-elektronica/packetmodem_nano.html

LoRa KISS software: https://git.meezenest.nl/marcel/RPi-LoRa-KISS-TNC

Raspberry Pi met LoRa module: https://www.meezenest.nl/mees-elektronica/RPi_LoRa_shield.html

https://meezenest.nl/mees/

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.