Maritime Basteleien mit dem Arduino

Der Conrad-Adventskalender „Internet of Things“ war für mich der Einstieg, mich einmal mit dem Thema Arduino zu befassen.

Denn schon immer hatte ich im Hinterkopf, dass man mit diesen kleinen Controllern, die über zahlreiche Ein- und Ausgänge verfügen, auf einem Boot sehr wichtige und interessante Überwachungs- und Steuerungsaufgaben realisieren könnte. Z.B Leckagemelder, Gasalarme, Temperaturüberwachungen usw..

Relativ schnell gelang mit Hilfe des Kalenders ein Einstieg. Nach dem Anlesen einiger Grundkenntnisse wurden auch schon die ersten Sensoren bestellt und erste eigene Experimente umgesetzt. Meine Begeisterung darüber, was alleine schon mit den Komponenten des Kalenders möglich war, war groß.

Auf der Webseite des Kalenders war ein Wettbewerb ausgeschrieben: Was lassen sich für Experimente nur mit dem Inhalt des Kalenders umsetzen? Also schob ich die angeschafften Spezialsensoren erstmal wieder zur Seite und überlegte, wie man z.B. Wassereinbruch feststellen könnte und möglichst viel des Kalenderinhalts nützlich zu verwenden.

Herausgekommen ist das Projekt „Polarfuchs“. Der Name ist angelehnt an das kleinste mir bekannte deutsche Forschungsschiff.

Es handelt sich um einen Versuchsaufbau, der ein unbemanntes „Schiff“ nachbildet, was einige Umgebungsdaten erfasst und weiterleitet und parallel dazu seinen eigenen Zustand überwacht.

Es wurde nur der Kalender und zusätzlich eine Stromquelle verwendet. Daher sind die Messmethoden auch nicht unbedingt praxisnahe. Normalerweise würde man für die einzelnen Werte passende Sensoren einsetzen.  Das war allerdings nicht die Aufgabe. Vielmehr ging es ja darum, aus einer Hand voll vorhandener Bauelemente das Maximale herauszuholen. Als Schiffsrumpf wird daher der Kalender selbst verwendet. Er bildet durch seinen Plastikkörper mit zahlreichen Einsenkungen eine ideale Schwimmplattform. Es wurden jedoch die üblichen konfektionierten Steckkabel verwendet. Das dem Kalender beiliegende Kabel hätte aber auch gereicht, um die Schaltung aufzubauen. Dann hätte man nur alles etwas enger am Board platzieren müssen.

versuchsaufbau

Folgende Umweltwerte sammelt „Polarfuchs“ ein, um sie auf einer eigenen Webseite darzustellen:

Wassertmperatur mittels NTC
Bedeckungsgrad des Himmels mittels Photodiode
Regen mittels Spannungsabfall

Außerdem überwacht Polarfuchs sich selbst auf Lecks (Wassereinbruch aka Bilgenalarm) mittels Spannungsabfall und gibt auf seiner Webseite Auskunft über seine Betriebsspannung.

Die Überwachung von Wasser beruht darauf, dass Wasser etwas Strom leitet ( und zwar nicht nur Leitungswasser haahaaa… ).

Taucht man zwei Kontakte, an denen eine Spannung anliegt in Wasser, fließt ein geringer Strom, wodurch die Spannung abfällt. Diesen Spannungsabfall kann man messen.

Im Falle des Leckalarms (Bilgenalarm) platziert man einfach innenbords zwei Drähte an eine Stelle, die normalerweise trocken ist. An diese Drähte legt man eine Spannung an, die man wiederum mit einem Analogeingang überwacht. Solange alles so ist wie es sein soll, fließt kein Strom, da die beiden Drahtenden nur durch Luft verbunden sind.

Gelangt jetzt Wasser an die überwachte Stelle, fließt ein geringer Strom, was sich am angeschlossenen Analogeingang durch eine geringere Spannung bemerkbar macht. Man muss dann nur noch empirisch einen Schwellenwert definieren, und fertig ist der Wassersensor.

Die Überwachung auf Regen funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Hier hat man allerdings das Problem, dass man das Regenwasser nicht sammeln möchte, also erst einmal keinen Ort hat, wo man es abgreifen kann.

Eine kleine Hilfskonstruktion soll das Problem lösen:

Eine geneigte Ebene als Sammelfläche für Wasser, die einen zentralen Auslaufpunkt hat. Dort platziert man die beiden Drähte so eng es nur irgendwie geht aneinander, ohne dass sie sich berühren. Dafür wird die Rückseite des Kalenders verwendet, die dafür passend gefaltet auf die Oberseite des Kalenders gesteckt wird und so gleichzeitig ein Dach über der Elektronik bildet. Die Messkontakte werden einfach am tiefsten Punkt dicht nebeneinander von unten durch die Pappe gesteckt.

Regnet es jetzt auf die Sammelfläche, fließt das Wasser durch die Schwerkraft zusammen und in Richtung des Auslaufs, wo sich ab einer gewissen Regenintensität ein kleines Rinnsal bildet, was wiederum über die Drähte fließt und diese so verbindet. Solange also Wasser fließt, ist ein Spannungsabfall messbar. Hört es auf zu regnen, versiegt das Rinnsal, und der NanoESP weiß, das es nicht mehr regnet. Im Badewannen-Versuch erwies sich das als der Schwachpunkt des Systems, denn die Pappe sog sich voll Wasser, weshalb „Polarfuchs“ auch nach dem Begießen mit Wasser weiterhin Regen anzeigte. Das ändert aber nichts an der Funktionsfähigkeit des Konzepts.

screenshot video

Die Temperatur wird über einen NTC gemessen, der ebenfalls dem Kalender beilag. Er kann durch das Poti mit einer externen Referenztemperatur „geeicht“ werden.

Für den Bedeckungsgrad des Himmels kann man den Photowiderstand des Kalenders verwenden. So wird das Umgebungslicht gemessen und anhand empirisch vordefinierter Bereiche einem von drei Zuständen zugeordnet: sonnig, bedeckt, Nacht.

Das ist zwar zugegeben nicht sehr genau, aber andererseits nicht unzuverlässig.

Wir haben also einen Wetterbericht mit Temperatur, Himmel und Niederschlag.

Dies wird per WLAN auf einer Webseite zur Verfügung gestellt. Natürlich wird hier vorausgesetzt, dass das Schiff Internetzugang hat und auch erreichbar ist.

Neben der Webseite verfügt das „Schiff“ noch über ein Toplicht (LED), was bei Dunkelheit automatisch leuchtet und einen Buzzer, der im Notfall (Wassereinbruch) zusammen mit der LED SOS signalisiert.

Ein Video vom Badewannen-Versuch gibt es hier.