Weerstation  Huizen

Het weer in Huizen

Bliksem Detector.

In het verleden ben ik al eens bezit geweest met de bouw van een bliksemdetector. Deze detector heeft een aantal jaren dienst gedaan maar ik heb hem na mijn verhuizing in 2007 niet meer opnieuw opgebouwd. Wel heb ik er een monitor module voor gemaakt en een aangepaste kleinere richtantenne voor gemaakt. Die doet op dit moment weer dienst bij mij op het weerstation. Het nadeel van dit systeem is dat het een draadverbinding moet hebben met een computer om de data weer te kunnen geven en op te kunnen slaan. Verder is de software die hiervoor in de tijd is ontwikkeld nog gebaseerd op Windows-98 en draaide in een DOS-shell.  De hardware is nogal uitgebreid en moet vanuit een 230V adapter worden gevoed.

Mijn idee is om een nieuwe detector te maken die ten eerste een laag stroomgebruik heeft zodat deze op een klein zonnepaneeltje en-of accu kan draaien en dat de data via WiFi naar de computer of NAS overgezet kan worden. Op dit moment (mei 2020) is er een heel aardig IC te krijgen van AMS met als typenummer: AS3935. Hiermee kan redelijk eenvoudig een detector gebouwd wordt voor de home omgeving. Je krijgt met deze detector geen landelijke dekking.

Samenvatting van de beschrijving van de data-sheet:

De AS3935 is een programmeerbare, volledig geïntegreerde bliksem Sensor-IC die de aanwezigheid van potentieel gevaarlijke bliksemactiviteit in de omgeving detecteert en een schatting van de afstand tot de voorkant van de onweersbui maakt. Het ingebouwde bliksemalgoritme controleert het binnenkomende signaalpatroon om de potentiële door de mens veroorzaakte verstoringen eruit te filteren. De AS3935 kan ook informatie geven over het ruisniveau en informeert  (bijv. de microcontroller) in geval van een hoge ruisniveau met een ruis drempel generator en een ruis evaluatie systeem. (bron: AMS data sheet v1-04 2016 jan 13)

Deze detector heeft een detectiebereik met een radius van 40 km. De detector is dus rondom gevoelig en kan geen richting aangeven. Wel wordt er een getal gegeven voor het berekende energieniveau van de ontlading. Dit getal is een indicatie en geeft geen grootheid weer. De detector kan zowel wolk naar grond als ook wolk naar wolk ontladingen detecteren. Er  wordt niet aangegeven welk type er wordt gedetecteerd.

Dit even in het algemeen over het bliksem detectie IC. 

Het front-end van de door mij te ontwikkelen module bestaat uit een klein printplaatje waarop het detectie IC, de antenne en een aantal componenten zitten. Dit printje kan als geheel gekocht worden bij b.v. AliExpress. De ontwikkeling  die ik zelf doen is het ontwerpen van een complete detector met printplaat waarop de volgende componenten zitten of erop worden aangesloten.

  • Het AS3935 detectie printje. (aangesloten)
  • Micro Processor print. (aangesloten)
  • Een GPS module. (op de print)
  • De WiFi module. (aangesloten)
  • Power module voor zonnepaneel en accu. (op de print)
De specificatie die ik voor mijzelf heb gesteld zijn:
  • Detector met een detectiebereik van 40 km en met een hogere onnauwkeurigheid tot 60 km.
  • De detector moet eigen stroomvoorziening hebben. (zonnepaneel en/of accu)
  • Het datatransport moet via WiFi verlopen.
  • Er moet tijd en plaatsbepaling (GPS) zijn. (mogelijk kan met meerderen detectoren een richting bepaald worden)
  • Weerbestendig zijn.
  • Communiceren met een binnen module of direct met een PC of NAS.
  • Communicatie naar een Smartphone.

 


 

 

De eerste proeven.
Om eerst het gevoel te krijgen wat de detector-chip allemaal kan of juist niet kan, heb ik een programma geschreven voor een Arduino-UNO board waarmee ik de data van de detector-chip uitlees en verwerk. Om echt te kunnen testen heb je natuurlijk een onweersbui nodig. Die zijn (mei 2020) nogal schaars. Dus het wachten is daarop. Je kan de detector wel testen door met een pieso aansteker te klikken. Alleen is de detector chip zo goed ontworpen dat deze de ontladingen van de aansteker alleen ziet als verstoringen en niet als bliksemontladingen. Maar goed je kan dan wel de detector testen of deze data afgeeft. Verder heb ik, om de software te testen wat random data in de tabel gestopt om te zien of het werkt zoals bedoeld. Het is natuurlijk erg sneu als er dan eindelijk een onweersbui overkomt en dat je software blijkt niet te werken.

In de eerste versie heb ik twee seriële kanalen waarbij op het debug-kanaal de ontlading events (zijn  gesimuleerd) worden weergegeven en op het tweede kanaal er een overzicht van de ontladingen in de tijd wordt gegeven.  Hierbij vertegenwoordigd elke lijn op een het scherm 1 minuut. Elke positie op de lijn staat voor 1 km en het getal geeft aan hoe vaak er in die ene minuut een ontlading is gedetecteerd. Zijn er meer dan 9 ontladingen met dezelfde afstand gedetecteerd dan wordt er een '^' weergegeven. Wat er nu op het scherm te zien is, is gesimuleerde data die met een random generator in de software is opgewekt. Het gaat er hier ook alleen maar om de software te testen.

 

Het debug scherm:

  • kanaal debug
    kanaal debug


In dit scherm worden de bliksem events weergegeven. De data die te zien is wordt in de software gesimuleerd en is dus (nog) geen echte data. Bij elke detectie wordt de afstand en het energie niveau van de ontlading weergegeven. Om de 10 minuten wordt er een totaal overzicht gegeven van de gedetecteerde ontladingen.

Het tijdscherm:

  • kanaal tijdweergave
    kanaal tijdweergave


In dit scherm wordt in de vorm van een tijdlijn/ waterval het verloop van de onweersbui weergegeven. Ook hier weer is de getoonde data afkomstig van simulatie. Elke lijn stelt een tijdsperiode van 1 minuut weer. De lijn heeft 63 posities waarbij elke positie een km voorstelt. Het getal op elke positie geeft het aantal ontladingen weer bij de betreffende afstand. Worden er meer dan 9 ontladingen gemeten voor één afstand dan wordt er een '^' weergegeven. Aan het eind van elke lijn staan het aantal ontladingen weergegeven voor de betreffende minuut.

Met deze weergave kan het verloop van een onweersbui worden weergegeven.

De data zoals hierboven weergegeven is puur bedoeld voor de testfase van de detector. De uiteindelijke data presentatie zal op delen anders zijn.

  • Arduino_Testopstelling
    Arduino_Testopstelling


Even een plaatje van de eerste testopstelling. Het deel waar de LED's opzitten is de micro-processor in dit geval een Arduino UNO. Het onderste vreemd vormige printje is de bliksem detector met daarop in het middel de AS3935 detector IC en helemaal onderaan met het stickertje erop de antennespoel.

Zoals boven aangegeven maak ik een proefopstelling met een Arduino UNO processor. Deze opstelling is erg makkelijk te programmeren. Voor de definitieve uitvoering wil ik gebruik maken van een ESP-32 module. Dat is een micro-processor board met WLAN voorzieningen. De software om met dit board een WiFi verbinding te maken is betrekkelijk eenvoudig te ontwikkelen. Er wordt erg veel met dit board gewerkt en er zijn dus veel voorbeelden op het web te vinden die nuttige informatie geven voor het opzetten van de software. Bovendien heeft deze module een USB-interface zodat het later instellen van de WiFi gegevens eenvoudig te realiseren is.

Inmiddels heb ik een aantal proeven kunnen doen tijdens een echte onweersbui. In eerste instantie zaten er nog een paar software probleempjes in mijn programma. Die zijn opgelost. De resultaten zijn niet wat ik verwacht had. Ik denk dat er toch iets aan de hand is met het detector printje. Ten eerste heb in problemen met het afregelen van de antenne. In de chip zit een mode waarmee je de antenne kring kan afregelen rond een frequentie van 496 kHz. Hiervoor zit er een condensator in de chip die digitaal ingesteld kan worden tussen 0 en 120 pF. Je zou bij dit soort afregelingen verwachten dat de nom. frequentie ergens in dit capaciteits bereik ligt. Naar dat is bij mijn print niet het geval. Ook bij de instelling van 0 pF en alle verschillende deelfactoren is de nom. frequentie al te laag en deze wordt lager bij een hogere capaciteits waarde. Dus in ga toch nog wat spelen met de componenten die rond de antennespoel zitten. Op dit moment krijg ik alleen maar detecties die op een afstand van 1 km liggen terwijl de bui verder weg was.

  • Arduino_Testopstelling_2
    Arduino_Testopstelling_2


Ik heb het probleem, dat er alleen maar detecties zijn met een afstand van 1 km nog eens verder onderzocht. Het lijkt te maken te hebben met de I2C-software driver die ik gebruikt heb. Ik heb de hardware en software zodanig aangepast dat deze nu draait op een SPI interface. Ik merkte meteen al dat het systeem stabieler was. In de I2C uitvoering zat de detector na een paar uur op slot en moest deze gereset. Met de SPI interface is dit probleem geheel verdwenen. Het is nu (10 juli 2020) maar weer wachten op een echte onweersbui die dicht genoeg langstrekt.

Inmiddels heb ik de testopstelling (en software) uitgebouwd met een externe EEprom voor de opslag van de settings voor de detector en de WiFi en heb ik de GPS module aangesloten. Deze twee componenten werken nu ook goed. (zie de foto hiernaast)

Ik wil nu (10 juli 2020) eerst een geslaagde proef doen met een echte onweersbui voordat ik de print voor de ESP-32 ga ontwerpen en de software ga overzetten naar de ESP omgeving.



Wordt vervolgd.