Dem Wetter und der Umwelt trotzen
Das Sammeln von Wetter- und Umweltdaten stellt eine besondere Herausforderung dar, da kaum etwas Technik schneller zerstört als ungünstige Bedingungen. Oft fehlt es an Steckdosen in der Natur, und viele Sensoren sind nur für den Innenraum konzipiert. Mit etwas Aufwand lassen sich jedoch viele Hürden überwinden.
Wer das Wetter beobachten oder Umweltdaten sammeln möchte, muss seine Sensoren und Messgeräte ins Freie bringen, wo raue Bedingungen herrschen: Feuchtigkeit durch Regen, Schnee oder Nebel ist allgegenwärtig und schadet Elektronik erheblich. In Meeresnähe kommt korrosives Salz hinzu. UV-Strahlung lässt Materialien altern, macht sie spröde und zersetzt sie. Kabelbinder werden brüchig, Gehäuse verfärben und verziehen sich durch Wärme, Dichtungen härten aus. Extreme Temperaturen sind ebenfalls ein Problem: Werte von -20 °C bis +45 °C sind üblich, bei direkter Sonneneinstrahlung auch deutlich mehr. Bodennähe birgt Mikroorganismen und Kleinsttiere, die sich in Gehäusen einnisten können. Erschütterungen und Stöße sind weitere Faktoren, die die Technik beeinträchtigen können.
Eine einfache Lösung, die Technik in einer dichten Bleikiste zu schützen, ist nicht praktikabel, da dies die Messungen beeinträchtigt. Es gilt, einen Kompromiss zwischen Abschottung, Verschleiß, Kosten und Nutzen zu finden. Outdoor-Technik ist daher oft deutlich teurer als Innenraumgeräte.
Schutzarten
Die Schutzart gibt an, wie gut ein elektrisches Gerät für verschiedene Umgebungen geeignet ist. Sie bezieht sich primär auf den Schutz vor Fremdkörpern (Staub, Gegenstände) und Wasser. Aussagen über die Widerstandsfähigkeit gegen UV-Strahlung oder Salzwasser sind hierbei nicht enthalten.
Die bekanntesten Schutzarten sind die IP-Codes (International Protection), die mit einer zweistelligen Zahl den Schutzgrad gegen Fremdkörper und Wasser angeben. Je höher die Zahl, desto besser der Schutz.
Schutz gegen Fremdkörper (erste Ziffer)
| linke Ziffer | Schutz |
|---|---|
| 0 | ohne Schutz |
| 1 | Geschützt gegen feste Fremdkörper mit Durchmesser ≥ 50 mm |
| 2 | ≥ 12,5 mm |
| 3 | ≥ 2,5 mm |
| 4 | ≥ 1,0 mm |
| 5/5K | Geschützt gegen schädigenden Staub |
| 6/6K | staubdicht |
IP54 bietet im privaten Außenbereich einen geringen Schutz, ist aber nicht ausreichend gegen Kleintiere und große Wassermengen. IP67 bietet guten Schutz, auch gegen Vandalismus. Herstellerangaben sollten mit Vorsicht genossen werden; bei Produkten aus Fernost sind die Klassen oft falsch angegeben. Dies kann zu gefährlichen Situationen führen, z.B. wenn Kinder Drähte in Geräte stecken können.
Dichte Gehäuse
Für Mikrocontroller, Stromversorgung und Antennen eignen sich Schaltschränke oder ABS-Gehäuse mit Dichtung. Metallgehäuse schirmen Strahlung ab, was bei Funktechniken wie WLAN oder Bluetooth zu Reichweitenverlusten führen kann; hier ist eine externe Antenne nötig. ABS ist weniger problematisch und widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse. Zur Befestigung sollte Edelstahl verwendet werden, der nicht rostet. Bei guten Gehäusen liegen die Schraubenbolzen für den Deckel außerhalb des geschützten Innenraums, und Montagebohrungen erfordern keine Durchbrüche ins Innere.
Transparente Deckel sind praktisch, um die Technik zu betrachten, lassen aber UV-Strahlung herein, die die Technik altern lässt. IP67-Gehäuse sind teuer, aber für Langzeitaufbauten lohnen sie sich.
[Bildbeschreibung: IP67-Gehäuse mit Gummidichtung, außen liegenden Bolzen für die Schrauben im Deckel und Montageflansch.]
[Bildbeschreibung: IP67 Kabeldurchführung (grau) und Steckersystem mit Überwurfmutter und Kappe zur Staubabdeckung zum Einbau in Gehäusewände.]
Ein einfacher Schutz kann ein Brett mit leichter Neigung als Dach sein, um Schnee, Regen und Sonneneinstrahlung abzuhalten.
Ein wirklich dichtes Gehäuse kann problematisch sein: Beim Abkühlen nach Erwärmung oder Regen bildet sich ein Unterdruck, der Feuchtigkeit durch Dichtungen saugen kann. Ein Druckausgleichselement mit einer Membran, die Wassertropfen abhält, aber Luft durchlässt (ähnlich atmungsaktiver Kleidung), ist notwendig. Die Poren der PTFE-Membran sind kleiner als Wassertropfen, aber größer als Wasserdampfmoleküle. Diese Ausgleichselemente gibt es als Kabeldurchführungen, Stopfen oder selbstklebende Pads.
Es gibt auch wasserdichte Steckersysteme, die wie Kabeldurchführungen in Gehäusewände eingeschraubt werden. Es ist vorteilhaft, wenn Kabel nicht fest durch die Gehäusewand geführt werden, um Komponenten separat montieren und einfacher tauschen zu können.
Schalter und Taster mit IP67-Zertifizierung sollten möglichst im Inneren über gute Steckkontakte verbunden werden. Touchsensoren, die von innen angeklebt werden, können Annäherungen sogar durch Kunststoffgehäuse erkennen.
Einbauten
Für Kabeldurchführungen in Gehäuse werden entsprechende Elemente mit Mutter und Dichtungsring verwendet. Ein Gummistopfen im Inneren dichtet das Kabel ab. Dickere Kabel sind stabiler und widerstandsfähiger. Anschlüsse für hohe Gleichströme sind in feuchter Umgebung anfällig für Korrosion; vergoldete Kontakte und zusätzliches Verlöten können helfen.
[Bildbeschreibung: Touchsensor (Sensorfläche auf der Unterseite) für weniger als einen Euro, der ein Signal wie ein normaler Taster liefert.]
Andere Einbauten wie LEDs lassen sich gut mit RTV-Silikon abdichten. Dieses bei Raumtemperatur vulkanisierende Silikon ist in verschiedenen Farben erhältlich und für einen weiten Temperaturbereich geeignet.
Temperatur
Viele Elektronikteile sind nicht für extreme Minusgrade geeignet; LCD-Kristalle können dauerhaft geschädigt werden. Auch zu hohe Temperaturen sind schädlich. Bei hoher Rechenleistung erwärmen sich Prozessoren und Chips, was zu einer Leistungsreduzierung führt.
Peltier-Elemente können heizen oder kühlen, benötigen aber eine externe Wärmeabfuhr. PTC-Heizelemente sind selbstregulierend, verbrauchen aber viel Strom und heizen oft auf ca. 60 °C auf, was zu viel sein kann. Sie erfordern eine Steuerung, um bei Minusgraden einzuschalten und bei leichten Plusgraden abzuschalten.
Kühlung ist schwieriger, da Lüfter den Wasserschutz beeinträchtigen. Bei Metallgehäusen kann eine Heatpipe die Wärme zur Gehäusewand leiten, wo Kühlrippen montiert werden können. Die warme Seite eines Peltier-Elements kann auf einem Kühlkörper montiert und in das Gehäuse integriert werden, was eine aktive Temperaturkontrolle erfordert.
Größere Gehäuse mit mehr Luftvolumen können die Wärme durch natürliche Wärmestrahlung besser ausgleichen.
Funk oder Kabel?
Daten müssen aus dem Gehäuse zu Ihnen gelangen. In abgelegenen Gebieten ist die Sicherung auf Speichermedien und deren Abholung oft die einzige Option. LoRaWAN ist eine Funktechnik für kleine Datenmengen über große Distanzen, aber die Empfängerabdeckung ist noch nicht flächendeckend.
Mobilfunknetze können Daten per SMS senden und sind eine bezahlbare Lösung. WLAN und Bluetooth eignen sich für den Nahbereich. Bluetooth hat eine Reichweite von ca. 5 m, WLAN ca. 50-100 m. Funktechniken sind einfach aufzubauen, können aber Verbindungsprobleme verursachen.
Kabelverlegung ist aufwändiger, ermöglicht aber die Überbrückung langer Distanzen. Signalpegel können mit RS232 oder RS485 angehoben werden. Ein geschirmtes CAT-5-Kabel kann Kilometer überbrücken.
Stromquelle
Die Stromversorgung ist kritisch. Steckdosen sind im Garten oft nicht vorhanden. Ein Stromkabel zu vergraben erfordert mindestens 60 cm Tiefe, ein Leerrohr oder eine Sandschicht und ein Warnband für spätere Erdarbeiten.
[Bildbeschreibung: Typischer Solar-Laderegler für Starterbatterien der auch 5 V an den USB-Buchsen abgeben kann.]
Solarenergie ist eine praktikable Alternative, besonders wenn kein Stromanschluss verfügbar ist. Solarpanels allein reichen nicht; ein Akku ist für den Betrieb bei Dunkelheit oder fehlender Sonneneinstrahlung erforderlich. Schnee, Bewuchs oder Wolken reduzieren den Solarertrag. Der Wirkungsgrad einer Solar-Akku-Anlage liegt bei ca. 70 %. Starterbatterien sind frostempfindlich.
Für die Dimensionierung sind Verbrauchsmessungen über einen längeren Zeitraum notwendig, um alle Betriebssituationen abzudecken.
Ein Raspberry Pi 5 benötigt unter Voll-Last ca. 7-8 W. Ein 20-W-Solarpanel bei 12 V und ein Laderegler für ca. 35 € sind empfehlenswert. Für eine Woche Betrieb eines Raspi mit 1,6 A Stromaufnahme wären ca. 270 AH nötig, was mehrere Batterien erfordert. AGM-Akkus sollten nicht unter 70 % entladen werden. Ausfallzeiten durch fehlende Solarenergie sind unvermeidlich.
Mikrocontroller wie NodeMCU mit ESP32 sind stromsparender. Im Betrieb mit Bluetooth und WLAN verbrauchen sie ca. 240 mA, mit nur Bluetooth 130 mA, im Schlafmodus ca. 0,8 mA. Eine Batterie mit ca. 30 AH reicht für eine Woche. Ein 50-AH-Modell kostet ca. 50 € und kann direkt an den Solarregler angeschlossen werden.
Ein Transportkoffer mit IP67-Klasse für unter 100 € bietet Schutz im Freien, wenn die Abdichtungshinweise beachtet werden. Im Winter sinkt die Batterieleistung; eine zweite Batterie kann zur Reserve geladen werden.
Spannungen wie 5,1 V für Raspberry oder 3,3 V für ESP lassen sich aus 12 V Batterien mit StepDown-Reglern oder Schaltnetzteilen gewinnen. Klassische Netzteile mit Transformatoren sind wegen hoher Verluste und Abwärme ungeeignet.
Sensoren verpacken
Günstige Boards für Experimente sind selten für den Außenbereich geeignet. Sensoren, die angeblich Nebel oder Abgase erkennen, sind oft zu offen für höhere Luftfeuchtigkeit.
Spezielle Industriemodelle sind teuer. Der Drucksensor TL-231 zur Messung der Wassertiefe kostet beispielsweise 50 €.
Module können in Epoxidharz vergossen werden, wobei nur die Sensoroberfläche frei bleibt. Alternativ kann RTV-Silikon oder spezielle Tauchlacke wie Plasti Dip verwendet werden. Sprays auf Silikonharzbasis wie Electrolube SCC3 schützen Leiterplatten. Manche Bastler nutzen Holzschutzlack für Außenbereiche.
[Bildbeschreibung: Der Hersteller verspricht wasserabweisende Wirkung und der Lack wird auch in der Industrie eingesetzt (Foto: Plasti Dip).]
Eine weitere Methode ist, den Sensor rudimentär zu schützen und ihn zu betreiben, bis er ausfällt, um ihn dann zu ersetzen. Wenn Sensoren günstig sind und Schutzmaßnahmen teuer, kann dies die kostengünstigere Lösung sein. Der Umweltschutzaspekt bleibt hierbei auf der Strecke, aber die fachgerechte Entsorgung der Elektronik kann das Gewissen beruhigen.
