Zusammenbauanleitung Windsensor Yachta

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Der Windsensor Yachta dient zur Messung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung auf Booten. Er wird am Mast installiert und mit 12V versorgt. Die Datenübertragung der NMEA0183 Telegramme erfolgt drahtlos per WiFi. Im Windsensor befindet sich ein AccessPoint und ein kleiner Webserver. Als Anzeigegerät der Messwerte dient ein Handy mit einen Webbrowser. Die Messdaten können auch in anderen Programmen wie SignalK, AVnav, OpenCPN, Navionics o.ä. angezeigt werden, die NMEA0183 Daten verarbeiten können.

Copyright und Lizenzen

Das Copyright und die Lizenzen sind beim Nachbau zu beachten. Der Windsensor kann von Jedermann unentgeltlich nachgebaut werden solange keine kommerziellen Absichten bestehen und damit Geld verdient wird. Bei kommerziellen Absichten kann Kontakt mit Open-Boat-Projects aufgenommen werden. Wir klären dann welche Möglichkeiten einer kommerziellen nicht exklusiven Verwertung bestehen.

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Bereich Lizenz Bemerkung
Dokumentation CC-BY-NC-SA Alle Online- und Print-Dokumente
Hardware CC-BY-NC-SA 2D, 3D CAD-Files
Software GPL V3.0 Firmware, App

Schwierigkeitsgrad und Zeitbedarf

Gesamt
 
Schwierigkeitsgrad 4
Zeitbedarf [h] 2…3
Details
 
Mechanik 2
Elektronik 6
Software 2
Netzwerktechnik
4

Die Zusammenbauanleitung richtet sich an Interessierte mit handwerklichen Fähigkeiten. Wer die Elektronik zusammen löten möchte, sollte über Erfahrung in der Bestückung von SMD-Bauelementen verfügen. Ohne solche Erfahrungen sollte besser eine fertig bestückte Platine bezogen werden. Die Programmierung des Mikrocontrollers ESP8266 erfordert etwas Erfahrung im Umgang mit Mikrocontrollern und Programmieradaptern, stellt  aber keine großen Hürden für Anfänger dar. Wer die Software selber modifizieren möchte, sollte sich im Umgang mit der Programmiersprache C und Programmierumgebungen wie die Arduino IDE oder PlattformIO auskennen. Da die Datenübertragung über WiFi-Netzwerke und per TCP/IP erfolgt, sollte man über Kenntnisse in der Konfiguration von WiFi-Routern und in der Netzwerktechnik mitbringen.

Werkzeuge, Hilfsmittel und Verbrauchsmaterialien

Werkzeuge Verwendung Bezugsquelle
Pinzette
Cuttermesser / Skalpell
Inbus-Satz
Maulschlüssel-Satz
Schraubendreher-Satz
Feinzange
Elektronik Seitenschneider
Elektronik Lötkolben
Entlötpumpe
USB-Kabel (Mini USB) Programmierung
USB-Seriell-Adapter (3.3V) Programmierung
Hilfsmittel
Digitalmultimeter Funktionstest
Laptop / PC Programmierung
Handy Funktionstest mit App
Oszilloskop (optional) Funktionstest
Verbrauchsmaterialien
Lötzinn D 1mm
Entlötlitze (optinal)
Silikonöl / Feinöl
Dupli-Color Aerosol Art, Klarlack matt Schutzlack für Kunststoffteile bauhaus.de
2K-Kleber Weicon RK-1300 conrad.de
Alkohol 99% Drogeriemarkt, Baumarkt
Q-Tips Drogeriemarkt
Lappen

Funktionsweise

Der Windsensor Yachta ist ein Anemometer mit rotierendem Schalenrad. Die Windrichtung wird über die Windfahne gemessen. Die Windfahne richtet sich entsprechend der Windrichtung aus. An der Unterseite der Achse befindet sich ein Neodym-Magnet dessen Magnetfeld von einem Magnetfeldsensor (AS5600) berührungslos gemessen wird, der sich auf der grünen Platine in der Mitte befindet. Die Winkel werden in 4096 Teilschritte pro 360° unterteilt und über den I2C-Bus zum Mikrocontroller ESP8266 übertragen, so dass sich eine Winkelauflösung von ca. 0,1° ergibt. Die Windgeschwindigkeit wird über das Schalenrad gemessen, an dessen oberer Achse sich ein Kranz mit mehreren kleinen Magnete befindet. Die Magnete bewegen sich bei der Drehung an einen Hallsensor vorbei und lösen ein digitales Schaltsignal aus, das vom ESP8266 ausgewertet wird. Die Firmware des Windsensors enthält einen AccessPoint und einen kleinen Websever mit dem die Messdaten per WiFi übertragen werden können. Mit einem Handy kann man sich in das WiFi-Netzwerk des Windsensors einbuchen und die Messdaten mit einem Webbrowser ansehen. Es gibt auch eine Android-App mit der die Messdaten angezeigt werden können. Der Windsensor lässt sich aber auch über den TCP-Port 6666 mit anderer Auswerte- und Anzeigesoftware verbinden die in der Lage sind, NMEA0183 Daten auszuwerten.

Für mechanische Details können sie im 3D-View das Funktionsprinzip erkunden.

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Projektunterlagen

Hilfreiche Links

Wichtige Hinweise

Bevor sie mit dem Projekt beginnen, sollten sie sich Zeit nehmen und diese Hinweise lesen, um die häufigsten Fehler zu vermeiden. Versuchen sie erst zu verstehen wie der Windsensor aufgebaut ist und wie er funktioniert, bevor sie loslegen. Benutzen sie die Kontaktmöglichkeiten bei Fragen und Unklarheiten. So werden sie ihr Projekt erfolgreich umsetzen können.

Als Filament für die 3D-Teile eignet sich PETG hervorragend. Es hat eine höhere Temperaturstabilität als PLA und lässt sich ähnlich gut verarbeiten. Achten sie darauf keine dunklen Filamente zu verwenden, da sich durch Sonneneinwirkung der Windsensor sehr stark aufheizen kann und der Kunststoff weich wird. Die Formstabilität ist nur bis 70°C bei PETG gegeben. Weiße Filamente haben sich als geeignet herausgestellt. Schwarze PETG Filamente sind hingegen ungeeignet. Wenn sie unbedingt einen schwarzen Windsensor bauen wollen, dann benutzen sie am besten ABS. Der Druck ist aber etwas komplizierter als bei PETG und erfordert Erfahrung im Umgang mit ABS.

Die gedruckten Teile des Windsensors sind nicht wasserdicht und müssen nachträglich lackiert werden. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass Wasser in den Windsensor eindringt und die Elektronik beschädigt. Als Lack kann nicht irgend ein Lack verwendet werden, da ein gewöhnlicher Lack nicht auf Kunststoffteilen haftet. Der in der Bauteilliste aufgeführte Lack ist speziell für eine direkte Kunststoffbeschichtung ohne Vorbehandlung geeignet. Er lässt sich gut verarbeiten und erzielt ein gutes Lackierergebnis. Wenn Sie alternative Lacke verwenden, prüfen sie vorher die Eignung an Testobjekten bevor Sie den Windsensor lackieren.

Beachten Sie, dass der verwendete Kleber eine bestimmte Restelastizität haben muss, um die Ausdehnung oder Schrumpfung unterschiedlicher Bauteile bei Temperaturänderungen ausgleichen zu können. Immerhin können Temperaturänderungen von ca. 100°C (-10 … 90°C) zwischen Sommer und Winter auftreten und dadurch Klebeverbindungen brechen.

Wenn Sie wenig Erfahrung mit SMD-Elektronik haben, kaufen sie eine bestückte und programmierte Platine. Das erspart ihnen viel Zeit und Mühe bei der Fehlersuche.

Sollten Sie die Elektronik selber programmieren wollen, so achten sie darauf einen USB-Seriell-Wandler mit 3,3V TTL Signalpegel zu benutzen. Wandler mit 5V TTL Pegel sind ungeeignet und können die Elektronik zerstören. Grundsätzlich sollten sie vorsichtig mit der Elektronik umgehen und nicht ungewollt mit Metallteilen in Berührung bringen. Dies kann zu Kurzschlüssen führen und die Elektronik beschädigen. Achten sie auch darauf, nicht elektrostatisch aufgeladen zu sein. Besonders im Winter bei geringer Luftfeuchte besteht die Gefahr. Sie können sich vor der Arbeit an der Elektronik an einer metallischen Wasserleitung oder einem Heizungsrohr entladen.

Bauteilliste

Die nachfolgende Bauteilliste bezieht sich auf einen Zusammenbau mit einer fertig bestückten und ggf. auch programmierten Platine. Sollen sie eine Bestückung der Platine selber vornehmen wollen, so finden sie im GitLab Repository eine Stückliste zu den Elektronikbauteilen.

Die in der Bauteilliste aufgeführten Bezugsquellen können u.U. nicht mehr aktuell sein. Suchen Sie dann am besten im Internet nach alternativen Bezugsmöglichkeiten.

Mechanischer Zusammenbau

Step by Step Beschreibung des Zusammenbaus mit Bildern und Hinweisen auf nötiges Werkzeug, Hilfsmittel und Verbrauchsmaterialien

Schalenrad

Magnethalter und unteres Lager

Platine

Windfahne und Unterbau

Standrohr und Basis

Lackierung

Software

Beschreibung wie man die Entwicklungsumgebung zum Kompilieren des Quellcodes vorbereitet und wie man das Binärfile in der Hardware programmiert. Bilder bzw. Schaltplan zur Programmierhardware.

Firmware Installation

Die Installation der Firmware auf dem ESP12-E kann vor dem Einlöten mit einem Programmieradapter oder auch auf der fertig bestückten Platine erfolgen.

Abb: ESP8266 Programmieradapter für externe Programmierung

Abb: Programmieradapter für Programmierung auf der Platine

Bei Verwendung eines Programmieradapters für die Programmierung auf der Platine ist darauf zu achten, dass die Signalpegel für TX und RX 3.3V TTL-Pegel unterstützen. 5.0V TTL-Pegel können nicht genutzt werden, da der ESP12-E damit beschädigt werden kann. Der Programmieradapter ist wie im Bild dargestellt anzuschließen. Man muss darauf achten, dass RX mit TX und TX mit RX verbunden sind. Anderenfalls kann man sonst keine Programmübertragung durchführen.

Abb: Programmierschaltung

Programmieranleitung

  1. Programmierschaltung zusammen bauen
  2. PRG und GND verbinden
  3. Programmieradapter USB mit Laptop oder PC verbinden
  4. 9V Batterieblock zuschalten
  5. Programmiersoftware NodeMCU Flasher auf Laptop oder PC starten und Firmware laden
  6. Programmiervorgang starten
  7. Bei erfolgreicher Programmierung USB trennen und 9V ausschalten
  8. PRG und GND trennen
  9. Programmierschaltung von Platine trennen
  10. 12V einschalten und Firmware über WiFi-Verbindung prüfen

NodeMCU Flasher

Als Programmiersoftware für den ESP12-E kann das einfach zu benutzende Windows Tool NodeMCU Flasher verwendet werden. Die EXE-Datei kann ohne spezielle Installation direkt gestartet werden. Das Tool kann sowohl für die externe als auch für die Programmierung in der Schaltung verwendet werden. Als erstes werden unter Advanced folgende Einstellungen vorgenommen.

Danach wird unter Config die aktuelle Firmwaredatei firmware_Vx.xx.wsb ausgewählt.

Zum Flashen geht man auf Operation und wählt die entsprechende Schnittstelle aus an der der Adapter angeschlossen ist. Danach drückt man auf Flash und wartet ab, bis die Firmware geladen ist.

Während des Flashens wird der Fortschritt der Übertragung angezeigt.

Wenn die Firmware erfolgreich geladen wurde ist folgender Bildschirm zu sehen.

Nach der Übertragung kann das Programmiertool geschlossen und der Adapter abgezogen werden.

Um die neue Firmware zu starten benötigt der Windsensor einen Reboot. Nach dem Neustart stellt  der Windsensor ein WiFi-Netzwerk mit dem Namen NoWa zur Verfügung in das man sich 30 s nach dem Neustart mit einem Handy und dem Passwort 12345678 einloggen kann. Die blaue LED geht dann 3x kurz aus, wenn der Webserver bereit ist.  Ruft man dann die Webseite des Windsensors mit der Android App auf (http://192.168.4.1), solle folgendes zu sehen sein. Werden unter WLAN Client SSID und WLAN Client Password Zugangsdaten von einen AccessPoint eingeben, so bucht sich der Windsensor in dieses WiFi Netzwerk ein. Die blaue LED verlischt dann als Hinweis für eine erfolgreiche Verbindung. Werden Messdaten über Port 6666 von einem Programm wie z.B. OpenCPN oder ähnlichen abgerufen, blinkt die blaue LED immer kurz auf, wenn ein Telegramm übertragen wird.

Als letztes muss in der Firmware noch der richtige Windsensor-Typ Yachta in der Konfiguration ausgewählt werden, damit die Daten korrekt angezeigt werden.

Abb: Device Settings für Yachta

Abb: Messwerte für Yachta

 

Funktionstest

Step by Step Beschreibung des Funktionstests mit Messergebnissen und Bildern. Beschreiben wie z.B. das Gerät kalibriert werden muss.

Fehlerbehebung

Beschreibung typischer Zusammenbaufehler und dessen Auswirkungen und wie man sie beheben kann

Technische Daten

Bezeichnung Wert / Wertebereich Bemerkung
Messdaten
Windgeschwindigkeit 0…40 m/s, 0…78 kn
Start Geschwindigkeit 1 m/s
Windrichtung 0…360 °
Auflösung Windrichtung 0,1 °
Funktionstyp magnetisch
Kalibrierung Steigung, Offset
Umgebungsbedingungen
Umgebungstemperatur 0…60 °C
Lagertemperatur -10…80 °C
Luftfeuchtigkeit 0…100 %
Duchtheitsklasse IP63, IPX3 gegen Sprühwasser geschützt
Stromversorgung
Versorgungsspannung 7…30V verpolungssicher
Leistungsaufnahme 0,5W typisch
Datenübertragung
Netzwerkart WiFi 11 bgn 2,4 GHz
Datenrate 3 MBit/s
Reichweite ca. 50 m im Freifeld
AccessPoint ja max. 3 Clients
Webserver ja, Port 80 Bedienseiten
JSON-Datenserver ja, Port 80 Control-Daten
TCP-Datenserver ja, Port 6666 NMEA0183 Datenstream
Serielle Schnittstelle ja, 3,3V Pegel NMEA0183, Debugdaten, parametrierbar
MDNS ja abschaltbar
NMEA0183 Sentences
MWV Winddaten
VWR Winddaten
VPW Performance-Daten
INF Custom Code
Unterstützte Software
Linux AVnav, OpenPlotter, OpenCPN
Android Windsensor App, AVnav, OpenCPN, Navionics, WinGPS pro
Windows WinGPS
iOS NMEAremote, Navionics
Dimensionen
Abmessungen 175 x 120 x 150 mm ohne Rohr und Fuß
Gewicht 150 g mit Rohr und Fuß
Materialien
Kunststoff PETG: Gehäuseteile lackiert
Metalle Alu: Halterohr eloxiert
V2A: Spitze, Schrauben, Muttern
Sonstiges
CE keine
UL keine
Garantie keine
Lizenzen CC-BY-NC-SA Hardware, Doku
GPL 3.0 Software

Meinungen und Tipps

Wir hoffen, dass diese Anleitung Ihnen eine Hilfe war, das Projekt erfolgreich umzusetzen. Ihre Meinungen und Tipps sind uns wichtig. Bitte teilen Sie uns mit, ob Sie mit der Anleitung zu recht gekommen sind, Schwierigkeiten hatten oder Tipps haben wo wir die Dokumentation verbessern sollten. Benutzen Sie am besten dazu unser Kontaktformular. So können wir eine hohe Qualität der Nachbauanleitung und eine erfolgreiche Projektumsetzung ermöglichen.