DIY Wolkendetektor & SQM/NELM-Messgerät

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elythomaslumber

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Mich hatte wieder die Bastellust gepackt und habe entsprechend dieser Bauanleitung (https://sourceforge.net/projects/mysqmproesp32/ ) einen Teilaufbau durchgeführt. Auf den Regensensor, Windmesser, GPS, usw. habe ich verzichtet.

Primär ging es mir um den Wolkendetektor. Der soll mich warnen, sobald draussen während der Astrofotografie plötzlich zunehmend Wolken durchziehen. Nebenbei hat mich dann noch das SQM/NELM-Meter (Sky Quality Meter / Nacked-Eye Limiting Magnitude) interessiert und der Sensor BME280 von Bosch liefert dann noch die üblichen Temperatur-, Luftdruck- und Luftfeuchtewerte.

Kern der Schaltung ist ein ESP32 mit WiFi-Anbindung an mein Netzwerk. Die Ausgabe erfolgt über einen Web-Browser, WIN-App und Linux und auch einen ASCOM-Treiber gibt es auch. Was mir noch fehlt ist eine kleine selbstgeschriebene Routine, um in meiner Hausautomatisierung bei erreichen eines Schwellwertes z.B. eine Warnlampe einzuschalten.

Das Ganze habe ich auf einer Lochstreifenplatine aufgebaut. Die 3 Module sind über einen I²C Bus verbunden, was den Aufbau sehr erleichtert. Für den Betrieb reicht ein 1A / 5V Steckernetzteil aus.
Beim Wolkendetektors habe ich die Erfahrung gemacht, dass man zu Beginn der abendlichen Session einen Abgleich machen muß. Da ich nur bei klarem Himmel fotografiere, logisch, lasse ich mit dem IR-Modul die Himmelstemperatur messen. Diese Temperatur ist sehr niedrig, schwankt aber natürlich über die Nächte hinweg. Ich setze dann die aktuelle Himmelstemperatur abzüglich einer kleinen Toleranz als Warnschwellwert. Schieben sich zwischen Sensor und freiem Himmel Wolken, dann steigt sofort die Temperatur an. Je dichter die Wolkenschicht ist, desto höher wird die Temperatur. Möchte man nun tatsächlich auch genau die Dichte der Wolkendecke bis zu 100% messen, so dürfte das aber in viele Messungen ausarten, bis man einen einigermaßen passenden Wert erreicht hat. Da mich das nicht interessiert, gehe ich hier nicht weiter darauf ein. Hinweise findet man in der PDF-Dokumentation.

Eine beispielhafte Messung hat ergeben, dass bei einer Umgebungstemperatur von ca. 0°C die Himmelstemperatur bei ca. -12°C gelegen hat. Dann zogen dichte Wolken auf und die Temperatur stieg angezeigt in nahezu Echtzeit auf ca. -5,8°C. Damit lassen sich durchziehende Wolken sehr schnell detektieren und man kann einen Blick nach draussen werfen und entscheiden, ob es sich lohnt weiterzumachen oder abzubrechen.

Über einen Lichtsensor mit hoher Dynamik (0,000118 to 88000 Lux) wird gemessen und der Wert in Lux angegeben. Daraus errechnet werden der SQM- und der NELM-Wert. Aus dem SQM-Wert läßt sich dann die Bortle-Klasse ableiten ( http://blog.kr8.de/astronomie-sqm-sky-quality-meter/ )

Messungen findet man auf der schönen Web-Page der Allgäuer Volkssternwarte: https://www.avso.de/index.php/sqm
Der NELM-Wert ergibt die Grenzgröße der noch sichtbaren Sterne an. https://www.bbastrodesigns.com/SQMandNELMconverter.html

Meine Wohngegend (Vorstadtviertel mit Gärten) liegt offiziell in einem Bortle 5 Gebiet. Gemessen habe ich jedoch Werte zwischen 6 und 7. Dabei war allerdings, wenn auch abgeschattet durch eine hinter mir liegende Hauswand Mondlicht vorhanden.

Ich konnte auf dem Boden liegenden Sensor bereits erste Messungen machen. Das Messgerät wird nun auf eine 1,5m Stange aufgesetzt, wobei ich mir noch einen Platz im garten suchen muß. Die Sensoren sind tiefer ins Gehäuse verlegt und nun warte ich auf eine klare und möglichst mondlose Nacht für neue Messungen.

Wer den Teil- oder gar den Vollausbau als Nachbau in Erwägung zieht, sollte schon über Erfahrung in solchen aufwändigen Projekten haben. Die Anleitung ist zwar gut und sehr detailliert, aber es gibt auch sehr viel zu beachten.

Grüße
Hartmut
 

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Hallo Hartmut,

Du hast Dir gerade den Missmut meiner Frau eingehandelt indem Du mir ein neues Bastelprojekt angebaut hast ;)

Sehr spannend! Mich würde vor allem die Wolkendetektion zum Schließen eines Rolldachs interessieren; vorzugsweise via INDI. Da Du ja auch eher "Fraktion EKOS" bist, konntest Du hier bereits Erfahrungen sammeln?
GPS fände ich jetzt auch nicht so uninteressant, wenn es via INDI verfügbar wäre, könnte es doch den GPS-Dongle am Pi ablösen.

SQM/Bortle ... ja, gute Information, kennt man aber doch meist.

Wie schaut es mit der Wetterbeständigkeit des ganzen aus? Dein Setup schaut mir noch nicht nach einer Festinstallation aus; sowas würde ich jedoch gern anstreben.

Heute Abend wird erstmal die Doku gewälzt

Grüße, Ralf
 
Hallo Ralf,

wird bei mir definitv keine Dauerinstallation und ich will es primär wirklich nur nutzen zur Wolkendetektion während der Fotonächte. Alles andere ist Beifang.

Anhand der Temperaturänderung kann man wirklich sofort sehen, wenn da plötzlich eine Wolke durchgeht und auch abschätzen, wie "dicht" die ist.
Das funktioniert aber nur nachts bei Dunkelheit!
Ich habe bisher erst 2 klare Nächte mit einer etwas älteren FW nutzen können. Da hat das gut funktioniert. Ich hatte Glück, dass in diesen Nächten zwischen CS und voller dichter Abdeckung alles passiert ist.

2 Probleme hatte ich aber oben schon angesprochen:

1. die Himmelstemperatur bei CS ist jede Nacht anders und man muß die Temperatur für die aktuelle Nacht als Schwellwert für CS (100% wolkenfrei) eingeben. Jede Wolke ändert den Wert aber recht stark.
2. den Grad der Bedeckung muß man abschätzen und einen Wert für die Temperatur bei voller Bedeckung eingeben. Ausserdem gibts da noch ein Wolkenmodell, dass ich nicht weiter parametrisiert habe. Ich lasse da die Default-Werte. Insegsamt relativ komplex und man muß sich da nachts mal mit beschäftigen. Gut wenn da zwischen CS und Wolken sich schnell was ändert. Dann kann man mal mit den Werten experimentieren.

Heißt für mich, als Detektor für Astrofotografie brauchbar, um im "Alarmfall" entweder mal rauszuschauen, ob es sich insgsamt zuzieht oder ob es nur mal ein kleiner Wolkendurchgang war.
Für eine Dauerbeobachtung mit statischen Werten für die Wolkenbedeckung halte ich es für nicht geeignet. Da fehlt mir aber noch die weitere Erfahrung und vielleicht bin ich durch die ganze Sache n.n. durchgestigen... Man kann auch mal den Entwickler fragen. Der antwortet recht zügich, auch wenns bei ihm schon mal 2:00 nachts in NZ ist.

Der Lichtsensor für SQM/NELM ist das einzige Modul, was unbedingt verbaut werden muß laut Entwickler. Alles andere ist optional und wird in einem der Sub-Sketche freigeschaltet. Lade Dir auf jeden Fall das neueste PDF (127-04) runter. Der grüne Download-Button verweist noch auf die Vorgängerversion!

Eine Einbindung in INDI/EKOS wird er nicht durchführen, da habe ich schon gefragt. Da muß man sich was mit Scripten oder so überlegen. Ich brauche ja auch noch eine Lösung, um meiner Hausautomatisierung (RPi) zu sagen, dass er eine Lampe als Warnung einschalten soll.


Ansonsten habe bereits eine selbstgebaute Wetterstation (neben ein paar anderen Sensoren und gekauften Stationen für die Nord- und Südseite), die nebenbei noch Regen detektiert und mir ein Rolle runterfährt, ist aber nicht sehr zuverlässig.

Wenn man obiges dauerhaft installieren will, muß man sich um Dichtigkeit, Taubeschlag, Feuchtigkeit kümmern, ohne dass die Sensoren Fehlmessungen machen. Ist dann noch mal eine Nummer aufwändiger.

GPS war für mich nicht wichtig. Ich habe an meinem Astroberry jetzt nach monatelangem Kampf endlich den Dongle als Ersatz für einen alten u-Blox 6 ans laufen bekommen und seit dem Umzug auf eine SSD ist er jetzt wesentlich schneller geworden, aber das ist eine andere Story...

Grüße
Hartmut
 
So, ich hatte heute dem Entwickler (Robert Brown) noch eine spezifische Frage gestellt.
Dabei hat er mich u.a. auch diesen Link verwiesen: indi-3rdparty/indi-duino at master · indilib/indi-3rdparty

Grundsätzlich ist es wohl möglich, Arduino Boards mit INDI/EKOS zu koppeln. Hier mal ein Auszug:

indi-duino
This INDI drivers allows to use arduino boards (http://www.arduino.cc)
as general propouse I/O.

The comunication to the arduino board it is made using firmata protocol
(http://www.firmata.org/) and the board has to be load with the standard
firmata firmaware. This firmware is distributed with the Arduino-IDE
programing tool. To load File->examples->firmata->standardfirmata
 
Zuletzt bearbeitet:
Noch als Nachtrag... es gibt eine Applikation namens mySQMWeb. Hier können alle Messwerte "fancy" dargestellt werden auf einem Linux-System.
Leider braucht man dazu aber den Apache WebServer. Beim Astroberry ist aber NGINX installiert...
 

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Hallo Hartmut,
braucht es die Kalibrierung der Himmels-Temperatur wirklich? Ich habe mir vor Jahren ein kleine Lösung gebaut, die mir anzeigt, ob es klar oder bewölkt ist. Dazu misst ein IR-Senor an einem ESP32 nach Einbruch der Dunkelheit die Himmels-Temperatur. Wenn diese 10 Grad unter der Außentemperatur liegt, schalte ich über meine FHEM-basierte Hausautomatisierung die indirekte Beleuchtung der Kücheninsel von rot auf blau. Das funktioniert sehr zuverlässig ohne Kalibrierung. Auf dem esp32 habe ich espeasy laufen, über das ich die Sensordaten sehr einfach z.B. über MQTT weiterleiten kann.
Mir geht es eher darum mitzubekommen, wenn es überraschend aufklart.
Viel Erfolg weiterhin mit Deinem schönen Projekt,
Robert
 
Hallo Robert,

es kommt darauf an, ob man einen "genauen" Bewölkungsgrad angezeigt haben möchte oder nur eine starke Abweichung vom klaren Himmel detektieren möchte (Wolken).
Ich habe bisher 2 x mal gemessen in Nächten, in denen es zwischen ClearSky und starker Bewölkung gewechselt hat.
In der einen Nacht hatte ich so ca. -8,5°C bei CS gemessen, in der anderen Nacht ca. -13°C.

Damit ist "CS" in jeder Nacht jeweils die kälteste Temperatur und irgendein wesentlich wärmerer Wert eine Bewölkung von 100%.
Möchte man also den Grad der Bewölkung dazwischen angezeigt bekommen, so muß meines Erachtens nach eine für diese Nacht passende Kalibrierung vorgenommen werden, welcher diese Eckpunkte beschreibt. Für Hobby-Meteorologen sicherlich interessant.

Ansonsten kommt man ohne (genaue) Kalibrierung aus. Meine sind dann so aus, dass ich in der Nacht die Himmelstemperatur messe und diesen Wert als 0% Bewölkung eintrage. Alles was wärmer ist, sind Wolken.... Im grunde ist mein Ansatz identisch zu Deinem. Ich will wissen, OB WOlken durchziehen, nicht den Grad der Bewölkung. Da kann ich mal den Kopf rausstecken und selber nachschauen. :beobachten:
Ich könnte natürlich den Wert tiefer setzen, dan würde ich aber dünne Wölkchen nicht bemerken. Mal sehen, was ein pragmatischer Ansatz ist. :unsure:

Ich hab mir inzwischen auch eine kleine Routine in den Arduino-Sketch geschrieben, welcher bei meiner Hausautomatisierung (Domoticz) LED-Lampen schaltet. Leider hab ich noch ein Fehler drin... mein Hausautomatosierung kam ins stolpern. Vermutlich habe ich diese etwas mit einer Sereie Schaltkommandos befeuert...
Am Montag noch mal testen mit neuem Code.

FHEM kenne ich auch und die von mir verlinkte Bauanleitung bzw. der Sketch hat auch MQTT integriert, aber damit habe ich mich n.n. tiefer beschäftigt.

Viele Grüße
Hartmut
 
So, heute die 3 Nacht mit dem Gerätchen.
Ich kratze an Bortle 5, nachdem mein Nachbar auch das Licht aus hat...
 

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Hallo Zusammen,

auf Seite 62f gibt es eine Lösung ohne Löten.

Die Verdrahtung der Module erfolgt direkt auf einen "R3 WEMOS ESP32 CH340G".
Im normalen Schaltplan und auch bei Hartmuts Aufbau sind Widerstände, Kondensatoren und Dioden verbaut.

Kann mir jemand erklären, warum das bei der "Solderless Solution" nicht der Fall ist ?
 
Hallo Dennis,

die Widerstände am I²C Bus sind wohl nicht notwendig, da diese bereits auf den Modulen vorhanden sind (PullUp Widerstände).
Der Widerstandswert ist unkritisch. Meine Widerstände sind parallel zu den in den Modulen verbauten. Wenn die Schaltung also ohne zusätzliche Widerstände funktioniert, können diese also wegfallen.

Die Kondensatoren an den Spannungsversorgungsleitungen dienen der Störimpulsunterdrückung. Wenn diese weggelassen werden, kann es auch weiterhin funktionieren. Diese sind als als Präventation gedacht.

Die Diode am Spannungseingang dient dem Verpolugsschutz und kann entfallen, wenn man die Schaltung nicht verpolt anschließt.
Die Zener-Diode kann entfallen, wenn man keinen Windmesser anschließt.

Grüße
Hartmut
 
Hallo Hartmut,

vielen Dank für die Erläuterung.
Dann werde ich mal diese LötloseLösung in Angriff nehmen.
 
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