Inhaltsverzeichnis

  1. Messbereiche
    1. Windgeschwindigkeit
    2. Geschwindigkeit des Windrads
    3. Spannung
    4. Strom
    5. Zustände
    6. Temperaturen
    7. Luftdruck
  2. Hardwaresetup für Messungen und Kommunikation
    1. grundlegender Aufbau
    2. Aufbau Messschaltung
      1. Atmega328p auf Breadboard
    3. Strom messen mit dem ACS714
      1. Genauigkeitsbesprechung
    4. Spannungen mit dem Arduino messen
    5. Rotor Umdrehungen
  3. Software zur Datenaquise
    1. Vorbereitung
    2. Arduinocode flashen
    3. Kommunikation zwischen Arduino & Raspi
    4. Arduino Ausgabe
  4. Datenanalyse & Visualisierung
    1. Monitoring mittles Munin
    2. feinere Analyse
  5. Tipps & Tricks
    1. Arduino via Raspi resetten
    2. Arduino soft reset verhindern
    3. bessere Analog/Digital Wandler am Arduino
    4. A/D Wandler am Pi
    5. Multiplexer
    6. Hall Sensor für Wechselstrommessungen
    7. Arduino low power
    8. Arduino Optimierung - don't use delay()
    9. Links

Beim Eddy-2-Power Windrad verfolgen wir einen Niedrigtechnologie Ansatz. D.h. wir bevorzugen einfache robuste Mechanik und Technologien mit Materialien, die nicht nur in Industrieländern beschaffbar sind und bestenfalls recycelt wurden. Damit wir vergleichbare Messwerte erfassen können, verlassen wir den low tech Weg beim Messen.

Auch hier halten wir es so einfach und praktikabel wie möglich. Alle wichtigen Schritte, Knackpunkte und Fallstricke die uns begegnen werden dokumentiert. Allerdings ist hier etwas mehr Vorwissen und andere Hardware notwendig.

Messbereiche

Windgeschwindigkeit

Geschwindigkeit des Windrads

Spannung

Strom

Zustände

Temperaturen

Luftdruck

Hardwaresetup für Messungen und Kommunikation

grundlegender Aufbau

Aufbau Messschaltung

Entweder ein Arduino/Genuino (z.B. uno) oder etwas abgespeckter ein Atmel328p, daran die Sensoren...

Atmega328p auf Breadboard

Im alltäglichen Betrieb ist die Arduino Umgebung nicht notwendig, der geflashte Atmega Microcontroller reicht.

Strom messen mit dem ACS714

Der Arduino hat einen 10Bit AD Wandler d.h. er unterscheidet analoge Spannungen zwischen 0 und 5 Volt in 1024 Schritten (von 0 bis 1023). In diesem Bereich werden die -30A bis +30A die der ACS714 messen kann abgebildet. Das sind 0,0586A pro Schritt (60/2^10 = 0,05859375). Kleinere Differenzen im Stromfluss sind unabhängig von allen anderen Einflüssen auf die Messung nicht darstellbar.

Laut Datenblatt hat der Sensor eine Genauigkeit von 66mV/A bei +-30A. Wer mit kleineren Strömen zu tun hat kann mit der +-5A Auslegung des Sensores mit einer Genauigkeit von 182mV/A messen.

Damit Messfehler klein bleiben sollten stromführende Leitungen mit ein wenig Abstand am Hall Sensor vorbei geführt werden. Die Analog Pins des Arduino bedanken für ein delay(1) mit genaueren Messwerten. Und es bietet sich an, über mehrere Messungen zu mitteln. 

a = 0;
for(int i = 0; i < 100; i++) {
  delay(1);
  a = a + analogRead(A0);
}
ampere = a / 100;

Genauigkeitsbesprechung

Spannungen mit dem Arduino messen

Um Spannungen bis 15V (an den Akkus) am Arduino messen zu können muss der Bereich von 0-15V auf 0-5V runtergebracht werden. Das erledigt eine Spannungsteilerschaltung. Aus den 0 bis 5V Werten macht der A/D Wandler im Arduino Werte zwischen 0 und 1023. Wir können mit diesem Aufbau also nur Spannungsdifferenzen von mehr als 0,0117V (12V/1042) abbilden. Das reicht für unsere Zwecke und wird nicht weiter optimiert.

Am Generator werden Spannungen bis 60V erreicht. Selbst hier sind wir über den Spannungsteiler und 10Bit A/D Wandler mit 0,059V Spannungdifferenz noch hinreichend gut unterwegs. Der Spannungsteiler wird über eine einfache Widerstandsschaltung realisiert.

Spannungsteiler_Steckplatine.png 

R_ges = R_1 + R_2 
V_2 = V_ges * R_2 / (R_1 + R_2)

Die Batteriespannung (von <15V ausgehend) fällt über R_1 und R_2 ab. Der Arduino misst die Spannung, die über R_2 abfällt also zwischen GND und R_1.

Parallel zu R_2 wird noch eine Zener-Diode (Z1) mit 5,1V in Sperrrichtung zu R_1 geschaltet. Damit wird verhindert, dass der Analogeingang des Arduino mehr als 5,1V sieht. Bei höheren Spannungen wird die Z-Diode entgegen der Sperrichtung leitend und der Arduino bleibt verschont. Wir verwenden hier 1N4733A Z-Dioden (5,1V 49mA).

Rotor Umdrehungen

Software zur Datenaquise

Vorbereitung

Vom Raspi aus kann der Arduino per USB geflasht werden. Entweder über die Arduino IDE oder über die Konsole mittels ino.

Arduinocode flashen

Kommunikation zwischen Arduino & Raspi

Raspi und Arduino sprechen direkt über USB miteinander. Der Arduino bezieht somit auch seinen Strom aus dem USB Port des Raspis. Alternativ können beide per USB mit Strom versorgt werden und z.B. über I2C oder SPI Daten austauschen.

Hier werden Raspi und Arduino per USB verbinden. Letzteres bezieht dabei seinen Strom über den Raspi.

Es ginge auch separat (jeweils getrennt per USB mit Strom versorgen) und dann mittels I2C kommunizieren:

Zukünftig könnten die Messwerte auch direkt vom Pi am Arduino ausgelesen werden. Dafür gibt es z.B. die pyduino API.

Arduino Ausgabe

Der Arduino läuft in einer Dauerschleife, in der er die aktuellen Werte der Sensoren aufnimmt und ohne weitere Berechnungen ausgibt. Diese Werte werden sekündlich als csv Zeile über den USB Port ausgegeben. Der Arduino gibt beim Start eine Zeile mit Bezeichnung der csv Werte aus. Damit ist es möglich die Ausgabe auf jedem beliebigem Rechner zu empfangen und auszuwerten. Auf dem angeschlossenen Pi läuft ein Script, das die Werte in eine SQlite Datenbank überträgt und die Umrechnungen der Messwerte vornimmt.

arduino_hello_world.jpg

Datenanalyse & Visualisierung

Monitoring mittles Munin

Im ersten Schritt werden die Messwerte in Echtzeitgraphen ohne weitere Analysen mittels munin dargestellt.

feinere Analyse

Alle erfassten Daten werden für spätere Analysen in einer Datenbank gespeichert. So können bei dokumentierten Veränderungen und Umbauten am Windrad später entsprechende Schlussfolgerungen gezogen werden.

Tipps & Tricks

Arduino via Raspi resetten

Wenn Pi und Arduino an der selben Stromversorgung hängen kann ein Kabel direkt von einem GPIO Pin am Pi zum Arduino Reset Pin geführt werden. Achtung, bei unterschiedlichen Stromquellen sollte eine kleine Diodenschaltung den dann möglichen Stromfluss unterbinden, damit die gute Hardware nicht verbrutzelt wird.

arduino_reset_via_pi-gpio.png

Hier wird GPIO Pin 4 des Pis genutzt, mit dem Reset Pin am Ardunio verbunden und durch dieses Script (auf dem Pi) kurz auf HIGH gesetzt: 

echo 4 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio26/direction
echo "0" > /sys/class/gpio/gpio4/value;
sleep 1;
echo "1" > /sys/class/gpio/gpio4/value
exit 0

Arduino soft reset verhindern

Jedes Mal, wenn mit pyserial eine Verbindung zum Arduino hergestellt wird, führt dieser ein reset durch (reset on serial connection). Es gibt mehrere Möglichkeiten das zu unterbinden. Die softwareseitig Einfachste ist wohl folgendes Kommando in der Raspberry Pi Konsole: 

stty -F /dev/ttyACM0 -hupcl

bessere Analog/Digital Wandler am Arduino

Wem der interne 10Bit A/D Wandler des Arduinos nicht fein genug auflöst, der/die schaltet einen höher bittigen davor (z.B. mcp3201 oder adc121c). Damit sind z.B. Amperemessungen in 0,0146A Schritten möglich (60/2^12 = 0,014648438).

A/D Wandler am Pi

Der Rapsberry Pi kann nur digitale Werte aufnehmen. Der A/D Wandler lässt sich aber auch direkt an den Pi anschließen:

Multiplexer

Da die Wandler recht teuer sind und selten wirklich simultan gemessen werden muss bietet sich der Einsatz von Multiplexern an. Dabei werden mehrere Eingangsignale auf ein einzelnes gelegt. Im Programm lässt sich dann festlegen, welcher Eingang gerade gewählt wird.

Hall Sensor für Wechselstrommessungen

Arduino low power

Arduino Optimierung - don't use delay()


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