Software-Update für den Gewitter Monitor v2

Gestern ist wieder einmal ein heftiges Gewitter durch unsere Region gezogen und hinterließ seine Spuren auf dem Display des Gewitter-Monitors. Das war eine gute Gelegenheit, die letzten Software-Updates zu testen. Zur Zeit des Fotos lag das Maximum des Gewitters etwa 1 Stunde zurück. Die Trendanalyse über die letzten 45 Minuten (jetzt durch Pfeilsymbole  unterstützt) zeigte, dass die Summe der Blitze pro Minute stark rückläufig war. Der Mittelwert der letzten 15 Minuten lag aber immer noch so hoch, dass alle drei Alarm-LEDs aktiviert waren.

Seitdem ich die Version 2 im Februar in Betrieb genommen hatte, gab es viele Gelegenheiten, die Funktion der Software im Detail zu testen. Allerlei Feinheiten mussten korrigiert werden. Besonders ärgerlich war ein Fehler in der Trendanalyse, der den Prozessor in eine Endlosschleife schickte, wenn die Zahl der Blitze pro Minute sehr hoch wurde. Außerdem gab es Ungereimtheiten mit der Anzeige des Maximums. Jetzt funktioniert aber alles so, wie es soll.

Die neue Software steht wie immer auf der Ressourcen-Seite zum Download bereit. Die neue Software benötigt die Smart I2C GLCD-Software ab Juni 2018. Sonst können die Pfeilsymbole nicht dargestellt werden.

Von Herrn Wolfgang Richter erreichte mich ein Foto. Er hat seinen Gewitter-Monitor in ein Gehäuse aus schwarzem ABS-Kunststoff (200 x 100 x 65 mm) gesetzt. Sehr schön ist die Antenne,  die über dem Gerät schwebt. Vielen Dank für das Foto!

Gewitter-Monitor von Wolfgang Richter

Herr Richter hat mich auch auf die Forschungen von Hans Baumer zu den sogenannten Sferics aufmerksam gemacht. Dabei handelt es sich um elektrische Entladungen in den Wolken, die ohne Lichterscheinungen von Blitzen einhergehen. Tatsächlich ist mir schon seit langem aufgefallen, dass der Gewitter-Monitor bei labilen Wetterlagen (feuchte und warme Luft) deutliche Aktivitäten anzeigt, und zwar schon lange bevor Gewitter zu beobachten sind. Hierbei handelt es sich wahrscheinlich um die genannten Sferics. Übrigens habe ich die Empfindlichkeit des Geräts so eingestellt, dass die Alarmlevel (rote Leuchtdioden) erst dann aktiviert werden, wenn tatsächliche Gewitter im Umkreis von einigen hundert km registriert sind. Zur Kontrolle eignet sich die sehr informative Website Blitzortung.org.

Neues vom Gewitter-Monitor: Version 2

Der Gewitter-Monitor mit graphischer Anzeige war ein Projekt, das ich im Jahr 2014 fertig gestellt hatte. Seit dem habe ich das Gerät immer wieder einmal im Einsatz, und es tut gute Dienste. Inzwischen ist es aber an der Zeit für etwas Modell-Pflege. Rechtzeitig vor der nächsten Gewitter-Saison stelle ich hier die neue Version 2 vor.

Version 2 verwendet im Kern einen Arduino, wodurch das Programmieren und Flashen vereinfacht wurde. Das I2C-Smart Graphic LCD ermöglicht ansprechende Graphiken. Dazu gibt es eine vollständig neu entwickelte Software mit vielen neuen Features, z.B. einen mehrstufigen Alarm-Level, eine Trend-Analyse und ein Konfigurations-Menü.

Bewährtes Design mit neuen Funktionen

Das Grundprinzip des Gewitter-Monitors bleibt bestehen und wird hier kurz zusammengefasst.

Wer Radiohören noch aus den Zeiten von Mittelwelle und Langewelle kennt, der weiß, dass Gewitter-Blitze als störendes Krachen im Lautsprecher zu hören waren. Seit dem Umstieg auf Frequenzmodulation oder gar digitale Verfahren ist das aus unserem Radio-Alltag verschwunden. Das Prinzip eignet sich aber nach wie vor, um Gewitter-Blitze zu beobachten und zu registrieren.

Die hier vorgestellte Schaltung arbeitet mit zwei Langewelle-Empfängern, die auf einer freien Frequenz (ungefähr 100kHz) ständig in den Äther hören. Sobald ein Signal erfasst wird, wird es von einem Mikrocontroller untersucht. Typisch für Blitze sind schnell ansteigende Flanken (im Lautsprecher als „Knacken“ vernehmbar), die mit Hilfe des Analog-Digital-Converters (ADC) im Mikrocontroller selektiert und vermessen werden. Die Software sammelt die Anzahl der registrierten Blitze und die Summe der Pegel, die für jeden Blitz erreicht werden. Die Daten werden dann auf einem graphischen Display angezeigt. Das Display zeigt nicht nur die aktuell gemessenen Werte, sondern auch den Verlauf über die letzten Stunden. Die Daten erlauben die Analyse des Alarm-Levels, der über Leuchtdioden angezeigt werden. Darüber hinaus gibt es eine Trend-Analyse, um abzuschätzen, wie sich die Gewitteraktivitäten entwickeln werden.

Block-Diagramm
Block-Diagramm

Der analoge Schaltungsteil des vorherigen Gewitter-Monitors mit AM-Empfängern und der Peak-Detection-Schaltung hat sich bewährt und wurde übernommen. Die einzige Veränderung bezieht sich auf die Zeitkonstante der Peak-Detection, was weiter unten beschrieben wird.

Es gibt aber drei wesentliche Neuerungen:

(1) Die erste Veränderung trägt dem Feedback von einigen Nachbauten Rechnung. Basierend auf der zunehmenden Popularität des Arduino-Frameworks habe ich mich entschlossen, den ATmega-Prozessor im DIL-Gehäuse durch einen Arduino Nano zu ersetzen. Ich muss zugeben, dass ich für meine Entwicklungen lieber direkt mit den AVR-Prozessoren arbeite. Die  Arduino-Boards waren bisher immer gross, teuer und unhandlich für die Entwicklung von eigenständigen Geräten. Mit der Verfügbarkeit des kleinen und preisgünstigen Arduino Nano-Boards hat sich das aber verändert. Die kleine Platine hat ein komplettes Kernsystem für den ATmega-Prozessor an Board, was den Aufbau vereinfacht. Es bleibt der Nachteil, dass der Arduino im Vergleich zu einem „nackten“ ATmega-Prozessor relativ strom-hungrig ist, da die Peripherie, z.B. das USB-Interface und die eingebaute Leuchtdiode, immer unter Spannung stehen. Da der Gewitter-Monitor aber wahrscheinlich nicht mit Batterie-Strom betrieben wird, ist dieser Nachteil verschmerzbar.

Arduino Nano
Der Arduino Nano hat ein komplettes System auf einem kleinen Board: ATmega328 Prozessor, 16 MHz Quarz, USB-Interface, LEDs und Spannungsregler. Sogar ein Reset-Taster ist dabei.

(2) Die zweite Veränderung bezieht sich auf das Graphik-Display. Bei dem vorher verwendeten ST7920 gab es Beschaffungsprobleme für die SPI-Variante. Außerdem fand ich die u8glib-Bibliothek unhandlich. Was lag also näher als eines der gut verfügbaren KS0108-Displays einzusetzen und mit dem Smart-I2C-Interface zu kombinieren, das an anderer Stelle beschrieben ist (siehe Universelles I2C-Interface für Graphik-LCD). Konkret habe ich mich für das 4-Zoll Display (Typ 3) entschieden, dass mit einer Auflösung von 192 x 64 Pixeln bei ansprechender Größe neue Möglichkeiten eröffnet. Das Graphik LCD-Display ist z.B. bei eBay unter dem Stichwort 4″ 192×64 Graphic LCD Modul Display in verschiedenen Farben erhältlich.

(3) Und schließlich war es an der Zeit, die Software komplett zu überarbeiten. Der neue Gewitter-Monitor hat einige neue Funktionen bekommen, speziell zur Analyse des Alarm-Status und der Trend-Entwicklung. Außerdem lässt sich das neue System flexible konfigurieren über ein Menü zur Einstellung der wichtigsten Parameter. Die Software wurde komplett in der Arduino-Entwicklungsumgebung geschrieben und kann mit dem vorhandenen USB-Interface des Arduinos in den Programmspeicher übertragen werden. Ein separater AVR-Programmer ist dafür nicht notwendig.

Die Schaltung

Der neue Gewitter-Monitor besteht aus dem Antennen-Modul, das wie oben beschrieben ohne Veränderung von der vorherigen Version übernommen wurde, und dem Hauptteil, das für die Auswertung und Anzeige zuständig ist. Das Antennen-Modul wird über ein 6-poliges Flachband-Kabel mit dem Hauptteil verbunden.

Gewitter-Monitor Antennen Modul
Schaltung des Antennen Modul mit dem AM-Empfänger IC TA7642 und einer Ferritstab-Antenne. Dieses Modul ist zweimal vorhanden.

Hier arbeitet ein AM-Empfänger mit dem TA7642 und einem Ferritstab als magnetische Antenne. Der Ferritstab hat eine Richtwirkung mit engen aber stark ausgeprägten Minima in Richtung der Ferritstab-Achse. Deshalb werden zwei Empfänger eingesetzt, die senkrecht zueinander stehen. So wird eine lückenlose Abdeckung von 360 Grad erreicht.

Gewitter Monitor Antenne-Modul
Antenne-Modul mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Ferritstäben

Der Hauptteil des Gerätes verwendet, wie oben beschrieben, einen Arduino Nano und das Smart-I2C-Graphic-Display.

Schaltung des neuen Gewitter Monitors
Schaltung des neuen Gewitter Monitors

Das Signal vom Antennen-Modul wird mit einem Transistor (BC549C) verstärkt und dann an die Peak-Detection-Schaltung mit dem Operationsverstärker MCP602 geführt. Diese Schaltung folgt ansteigen Flanken sehr schnell und lässt das Signal dann langsam abfallen. So wird es möglich, mit dem naturgemäß relativ langsamen ADC die kurzen Blitz-Impulse sicher zu erfassen. Die Funktionsweise der Peak-Detection lässt sich mit dem Oszilloskop beobachten.

Eingang und Ausgang der Peak-Detection.
Eingang (untere Kurve) und Ausgang (obere Kurve) der Peak-Detection-Schaltung. Die Anregung erfolgt mit einem kurzen Impuls von wenigen µsec und erzeugt eine abfallende Flanke über mehrere msec. Der ADC tastet den Eingang mit einer Periode von 500µsec ab (4 mal pro Raster-Einheit).

Im Gegensatz zum vorherigen Gewitter-Monitor wurde die ADC-Abtast-Frequenz erhöht auf 2000 Hz pro Kanal. Entsprechend konnte die Zeitkonstante der Peak-Detection-Schaltung reduziert werden (10nF statt vorher 100nF). Dadurch erreicht das neue System eine etwa 10-fach höhere zeitliche Auflösung. Ereignisse, die vorher als ein einziger Blitz registriert wurden, können jetzt in mehrere diskrete Blitze aufgelöst werden.

Rechts oben im Schaltplan befindet sich die Spannungsversorgung für das Antennen-Modul. Die Empfangs-Empfindlichkeit der TA7642-ICs lässt sich über die Versorgungsspannung einstellen. Die Schaltung verwendet eine Band Gap-Referenz (TL431), die exakte 2.5V produziert, und einen Emitterfolger mit einem weiteren BC549C. Mit einem Trimmer kann der gewünschte Spannungswert gewählt werden. Ich habe die besten Erfahrungen mit 1.6V gemacht, gemessen am Eingang des Antennenmoduls (vor der Diode).

Für die Bedienung des Geräts sind drei Tasten verfügbar, die mit Select, Down und Up bezeichnet sind. Die Tasten befinden sich zusammen mit den Leuchtdioden für die Anzeige des Alarm-Levels und der Blitz-Erkennung auf einer kleinen Platine, die hier als Front-Panel bezeichnet wird.

Die Spannungsversorgung der Schaltung geschieht über ein externes Stecker-Netzteil, das mindestens 7V liefern sollte. Der Strombedarf ist abhängig von der eingestellten Beleuchtungsstärke des Displays und liegt maximal bei 150mA. Intern arbeitet ein Festspannungsregler. Zwar hat der Arduino einen eigenen 5V-Regler an Board, den man auch zur Versorgung der anderen Schaltungsteile heranziehen könnte. Ich habe mich aber für eine separate Versorgung entschlossen, weil der Regler auf dem Arduino bei größeren Eingangsspannungen vom Stecker-Netzteil (in meinem Fall 12V) und Strömen oberhalb von 100mA durchaus recht warm werden.

Damit ist die Schaltung beschrieben. Durch den Einsatz des integrierten Arduino Nano-Boards ist der Aufbau überschaubar. Dazu trägt auch die Tatsache bei, dass der Audio-Verstärker, der in der vorherige Version vorhanden war, hier weggelassen wurde.  Es hat sich gezeigt, dass beim laufenden System keine Notwendigkeit besteht, das Signal akustisch auszugeben.

Rückseite des Gewitter Monitor v2
Ein Blick hinter die Kulissen: Im Inneren geht es recht aufgeräumt zu. Das Arduino-Board sitzt auf zwei 15-poligen Pfostenleisten, so dass man es im Falle eines Falles leicht austauschen kann. Die USB-Micro Buchse ist gut zugänglich.

Vollständig neue Software

Der Umstieg auf Arduino und das Smart-I2C-GLCD erforderte eine vollständige Überarbeitung der Software. Das Grundprinzip ist aber weitgehend gleich geblieben.

Die Software besteht aus 4 Modulen:

  • GewitterMonitor_v2.ino ist das Hauptprogramm mit den setup() und loop()-Funktion und der Timer-getriebene Interrupt-Routine
  • GewitterMonitor_graphs.ino beinhaltet die Funktionen zur Anzeige auf dem Display
  • GewitterMonitor_stats.ino beherbergt die Statistik-Funktionen
  • GewitterMonitor_config.ino ist für die Verwaltung der Konfiguration zuständig.

Zusätzlich benötigt das Programm die Arduino-Bibliothek für das Graphik-Display glcd_functions. Um erfolgreich zu kompilieren, muss sich der glcd_functions-Folder im librariers-Ordner der Arduino-Sketche befinden – – wie bei Arduino üblich.

File-Struktur im Arduino-Verzeichnis
File-Struktur im Arduino-Verzeichnis

Alle Dateien sind auf der Ressourcen-Seite zum Download verfügbar. Für die glcd_functions-Bibliothek muss darauf geachtet werden, dass die Version vom 21-Feb-2018 (oder neuer) benötigt wird.

Kernstück der Software ist die Interrupt-Routine im Hauptprogramm. Diese Routine wird durch einen Timer-Interrupt 4000 mal pro Sekunde aufgerufen und liest wechselweise die ADC-Kanäle 0 und 1 ein. Das bedeutet, dass die Ausgänge vom Antennen-Modul wie oben beschrieben 2000 mal pro Sekunde abgefragt werden. Wenn sich zwei aufeinanderfolgende Werte um einen bestimmten Wert unterscheiden, wird dieses als Erkennung einer ansteigenden Flanke gewertet und entsprechend ein Blitz registriert. Der Schwellwert zur Blitzerkennung ist ein wichtiger Parameter des Systems, der sich konfigurieren lässt. Kleinere Werte bedeuten höhere Empfindlichkeit aber auch höhere Anfälligkeit gegen Störsignale. Größere Werte bedeuten geringere Empfindlichkeit. Als Default-Wert wird 150 eingesetzt, was bei dem Wertebereich des ADC von 1024 also etwa 15% Ausschlag entspricht. Damit habe ich die besten Erfahrungen gemacht.

Wenn der Trigger für die Blitzerkennung ausgelöst wurde, ermittelt das Programm den Maximalwert des Blitzes. Für jede Minute speichert das Programm die Anzahl der Blitze (flash_cnt) und die Summe der gemessenen Blitz-Maxima (flash_sum) in einem Array ab. Die Werte der letzten 150 Minuten stehen zur Anzeige zur Verfügung.

4 verschiedene Alarm-Level

Der Alarm-Level soll Auskunft geben, wie stark oder möglicherweise gefährlich die derzeitige Gewitter-Aktivität ist. Diese Information mag den interessierten Wetterbeobachter erfreuen oder hilfreich sein, um z.B. ein geplantes Picknick im Freien zu verschieben oder eine windanfällige Markise einzufahren.

Das System kennt 4 verschiedene Alarm-Level. Der Alarm-Level 1 schaltet die Display-Beleuchtung ein. Die Idee ist, dass das Gerät bei geringer Gewitteraktivität selbstständig um Aufmerksamkeit bittet. Die folgenden Alarm-Level 2 bis 4 werden über die drei roten Leuchtdioden als aufsteigende Reihe angezeigt.

Für die Berechnung des Alarm-Levels werden die Daten der letzten 15 Minuten herangezogen, sofern nichts anderes eingestellt wurde. Das Zeitfenster für die Auswertung des Alarm-Levels (alarm window) ist wiederum ein Parameter, den der Anwender konfigurieren kann. Der Default-Wert von 15 Minuten kann zwischen 5 und 60 Minuten gewählt werden.

Die Datenbasis für den Alarm-Level ist das Array mit den Summenwerten der Blitze pro Minute (flash_sum). Das Programm erlaubt zwischen zwei verschiedenen Algorithmen zu wählen. Entweder wird der Durchschnittswert (average) der Summenwerte berechnet, oder es wird der Maximalwert (max) gesucht. Durchschnittswerte sind robuster gegen einzelne Ausreißer, aber sie reagieren auch träger auf Veränderungen. Hier muss man Erfahrung sammeln, um zu schauen, was sich am Besten eignet. Für meinen Einsatz bevorzuge ich die Durchschnittsberechnung. In jedem Fall liefert das Programm einen Wert, entweder Durchschnitt oder Maximum, der dann mit einem Alarm-Schwellwert verglichen wird. Wird der Schwellwert übertroffen, dann wird der Alarm-Level 1 ausgelöst. Die anderen Alarm-Level verhalten sich entsprechend einer geometrischen Reihe:

  • Durchschnitt oder Maximum > Schwellwert: Alarm-Level 1
  • Durchschnitt oder Maximum > 2 * Schwellwert: Alarm-Level 2
  • Durchschnitt oder Maximum > 4 * Schwellwert: Alarm-Level 3
  • Durchschnitt oder Maximum > 8 * Schwellwert: Alarm-Level 4

Man kann leicht erkennen, dass es bei einem Alarm-Level 4 wirklich gewaltig kracht und das Gewitter in direkter Nähe ist.

Der Schwellwert des Alarm-Levels (alarm threshold) lässt sich ebenfalls konfigurieren. Man kann sowohl den gewünschten Algorithmus (Durchschnitt oder Maximum) als auch den Wert selber wählen. Als Default-Wert verwendet das System die Durchschnitts-Methode bei einem Schwellwert von 50.

Ich muss an dieser Stelle erwähnen, dass ich aufgrund der winterlichen Wetterlage bisher noch keine praktische Erfahrung mit den Alarm-Leveln sammeln konnte. Sicherlich wird es im Laufe des Sommers den einen oder anderen Software-Update geben.

Anzeige und Bedienung

Nach diesen Erklärungen sind das Display und die Bedienelemente hoffentlich einleuchtend.

Display und Bedienungselemente
Display und Bedienungselemente

Das 4-Zoll Display macht den Hauptteil der Frontseite aus. Es gibt dort zwei Bereiche: Auf der rechten Seite werden die aktuellen Messdaten für die laufende Minute gezeigt. Count steht für die Anzahl der registrierten Blitze in dieser Minute, und Sum für den Summenwerte über die gemessenen Maxima. Der Sekundenzähler unten in Bild läuft immer von 0 bis 60. Sobald die Minute voll ist, werden die aktuellen Daten übernommen und in den Verlauf eingefügt, der dabei um eine Reihe (= eine Minute) nach links verschoben wird.

Im rückblickenden Verlauf steht jede vertikale Linie für die Summe der Blitze während einer Minute. Am oberen Rand ist die Zeit-Skala angedeutet. Die kleinen Striche stehen für jeweils 15 Minuten, und der etwas größere Strich für eine Stunde. Man muss beachten, dass die vertikale Achse automatisch skaliert wird, um auch den größten gemessenen Wert sinnvoll abbilden zu können. Wenn z.B. der größte gemessene Wert 350 ist, dann wird die Skala bis 500 skaliert, usw.

Die gepunktete vertikale Linie zeigt das Zeitfenster für die Berechnung des Alarm-Levels. Alle Werte zwischen der gepunkteten Linie und dem rechten Rand (der aktuellen Zeit) werden für die Berechnung der Alarm-Level herangezogen. Wenn man im Konfigurations-Menü das Zeitfenster anders einstellet, wandert die gepunktete Linien an ihren neuen Platz.

Oben links im Display wird das Maximum (max) und der Durchschnittswert (avg) für das aktuelle gewählte Zeitfenster angezeigt.

Die restlichen Bedienelemente sind schnell erklärt. Die beiden gelben Leuchtdioden oben leuchten kurz auf (200 msec), sobald ein Blitz registriert wurde. Mit den beiden gelben Tasten lassen sich die Graphik-Bildschirme durchschalten. Man kann entweder die Anzeige der Summen oder die Anzeige der Anzahl der Blitze wählen. Schließlich ist die rote Taste ist für das Konfigurations-Menü vorgesehen.

Die Beleuchtung der Anzeige schaltet sich nach einiger Zeit ab, sofern kein Alarm-Level gesetzt ist. Wenn der neugierige Zeitgenosse trotzdem die aktuellen Daten sehen möchte, genügt ein Druck auf eine der Tasten, womit die Beleuchtung für 2 Minuten aktiviert wird.

Trend-Analyse

Interessanter als der Verlauf der letzten Minuten oder Stunden ist eigentlich das, was kommt. Wird das Gewitter noch stärker werden oder zieht es ab? In die Zukunft schauen kann der Gewitter Monitor natürlich nicht. Aber die Daten der Vergangenheit geben Anhaltspunkte. Zu dem Zweck habe ich eine Trend-Analyse in das Programm aufgenommen. Genaugenommen wird eine lineare Regression nach der Methode der kleinsten Quadrate über die Werte der letzten 45 Minuten (Regressions-Zeitfenster) berechnet und angezeigt. Die resultierende Gerade kann ansteigen oder abfallen, was sich in einem positiven oder negativen Steigungs-Koeffizienten erkennen lässt. Dieser Wert wird angezeigt – allerdings nur, wenn der Korrelations-Koeffizient grösser als 0.5 ist und somit einen sinnvollen Zusammenhang zeigt. Positive Werte bedeuten also, dass die Gewitter-Aktivität in den letzten 45 Minuten zugenommen hat, während negative Werte die Abnahme anzeigen. Wenn die Messwerte durchgängig bei 0 liegen oder wild streuen, so dass die Statistik keinen Trend erkennen lässt, dann wird im Display nur „–.-“ angezeigt.

Trend-Analyse mit linearer Regression.
Das Schlimmste ist vorbei! Trend-Analyse mit linearer Regression.

Die Trend-Analyse kann jederzeit mit den Up– oder Down-Tasten dazu geschaltet werden. Die beiden gelben Tasten laufen hintereinander 4 verschiedene Darstellungen durch:

  • Zeitverlauf der Summenwerte (Flash Sum)
  • Zeitverlauf der Summenwerte zusätzlich mit Trend-Analyse (Flash Sum + Trend)
  • Zeitverlauf der Anzahl der Blitze pro Minute (Flash Count)
  • Zeitverlauf der Anzahl der Blitze pro Minute mit Trend-Analyse (Flash Count + Trend)

Auch hier gilt die oben gemachte Bemerkung, dass ich bisher noch keine Erfahrung mit dieser Funktion sammeln konnte. Der Sommer wird möglicherweise Software-Updates bringen.

Konfiguration

Wie oben beschrieben gibt es die Möglichkeit, die wichtigsten System-Parameter zu konfigurieren und an den Aufstellungsort und die Anwender-Vorlieben anzupassen. Ein langer Druck (> 3 sec) auf die rote Select-Taste führt in das Konfigurations-Menü.

Konfigurations-Menü
Konfigurations-Menü

Die Auswahl des gewünschten Parameters erfolgt über die Up– and Down-Tasten. Dann führt ein Druck auf die rote Select-Taste in die Einstellung für den gewählten Wert.

Editieren eines Konfigurations-Wertes
Editieren eines Konfigurations-Wertes

Mit den Up– und Down-Tasten kann der gewählte Werte verändert werden. Ein weiterer Druck auf Select übernimmt den neuen Wert und führt zurück zum Menü. Mit der Anwahl des letzten Eintrags, Exit, verlässt man das Konfigurations-Menü.

Alle Parameter haben Default-Werte, die bei dem ersten Programmstart eingestellt werden. Diese Werte haben sich bisher als eine gute Wahl während des Testbetriebs herausgestellt.

Hier eine kurze Zusammenfassung der Konfigurations-Parameter mit ihren Default-Werten

  • Trigger threshold ist die minimale Schrittgröße zwischen zwei aufeinander folgenden Messwerten, um eine ansteigende Flanke als Blitz zu interpretieren. Kleine Werte erhöhen die Empfindlichkeit aber auch die Anfälligkeit gegenüber Störsignalen.
    Default-Wert: 150
  • Alarm window ist die Anzahl der letzten, verstrichenen Minuten, die zur Berechnung des Alarm-Levels herangezogen werden.
    Default-Wert: 15
  • Alarm threshold selektiert den Algorithmus (Durchschnitt oder Maximum) und den Schwellwert für das Setzen der Alarm-Levels. Alarm-Level 1 wird beim Überschreiten des einfachen Schwellwertes aktiviert, Alam-Level 2 beim doppelten Wert, usw.
    Default-Wert: Avg 50
  • Display light setzt die Helligkeit des Displays. Die Werte reichen von 0 (= 0%, aus) bis 10 (= 100%, maximale Helligkeit).
    Default-Wert: 8
  • Startup screen selektiert die Graphik, die nach dem Einschalten des Geräts gezeigt wird. Mögliche Werte sind:
    Flash Sum
    Flash Sum + Trend
    Flash Count
    Flash Count + Trend
    Default-Wert: Flash Sum

Es bleibt noch zu erwähnen, dass alle Konfigurations-Parameter im EEPROM des Prozessors abgelegt werden. Damit bleiben die eingestellten Parameter auch nach dem Abschalten (oder beim Überwintern im Bastelkeller) erhalten – wie es sich für eine Anwendung dieser Art gehört.

Aufstellung und Einstellung

Zum Schluss ein paar Tips für die Inbetriebnahme. Das Gerät empfängt die magnetische Komponenten der elektromagnetische Schwingungen von Blitzen. Zum Glück sind die magnetischen Störfelder im Haus meist weniger stark ausgeprägt als die elektrischen Felder. Trotzdem reagiert das Gerät empfindlich auf Störsignale von manchen Schaltnetzteilen. Das ist natürlich insbesondere relevant für das Stecker-Netzteil, mit dem das Gerät betrieben wird. Hier gibt es deutliche Unterschiede. Im Zweifelsfall ist es keine schlechte Idee, etwas mehr Geld zu investieren. In meinem Fall steht das Gerät in einer Fensterecke, die sich ein bisschen abseits von den anderen Geräten befindet.

Es kann sinnvoll sein, das Gerät an eine Erdung (z.B. Wasserleitung, Heizung, etc.) anzuschliessen. In meinem Fall konnte ich dadurch den Störpegel deutlich reduzieren und die Empfindlichkeit weiter erhöhen. Das sollte aber nicht unbedingt notwendig sein.

Für die erste Inbetriebnahme sollte die Versorgungsspannung des Antennen-Moduls am Trimpoti auf 1.6V eingestellt werden. Für die Software empfehlen sich die Default-Parameter wie oben beschrieben.  Nach dem Einschalten – und in Abwesenheit von Gewittern – sollten die Blitz-Indikatoren nicht aufleuchten. Wenn es gelegentlich ein Signal gibt, dann ist das normal und kommt wahrscheinlich von technischen Geräten. In jedem Fall sollten die Werte aber deutlich unter der Schwelle für den ersten Alarm-Level liegen.

Zum Testen der Funktion nehme ich eine alte 9V-Batterie, die ich mit einem etwa 30 cm langen Drahtstück ein paar Mal kurz schließe. Wenn ich das in etwa 20 bis 30 cm Entfernung von der Antenne mache, sollte das Gerät dies als Blitze registrieren. Wenn das geklappt hat, ist alles in Ordnung und man kann entspannt auf die nächste gewittrige Wetterlage warten.

Es gibt zwei Optionen, die Empfindlichkeit zu verändern. Zuerst kann man mit dem Trimmpoti die Antennen-Spannungsversorgung vergrößern (höhere Empfindlichkeit) oder verkleinern (geringere Empfindlichkeit). Als zweite Option, und besonders um unerwünschte Störsignale heraus zu filtern, kann der Konfigurations-Parameter Trigger Threshold verkleinert (höhere Empfindlichkeit) oder vergrößert (geringere Empfindlichkeit) werden.  Tatsächlich ist eine sehr große Empfindlichkeit gar nicht wünschenswert. In Sommernächten kann das Gerät Reichweiten von vielen 100 km erreichen. Dann ist es fraglich, ob man sich ein Gewitter in den fernen Alpen anzeigen lassen möchte.

Zum Schluss

Ich hoffe, dass der neuen Gewitter Monitor v2 das Interesse des einen oder anderen Bastlers weckt. Wie immer freue ich mich über Rückmeldungen, Kommentare, Vorschläge oder Ideen. Natürlich bin ich auch gerne bereit, bei der Beschaffung von Komponenten zu unterstützen oder Prozessoren zu programmieren.

Die Software hat ein gewisses Mass an Komplexität erreicht – und wird sicherlich allerlei Fehler enthalten. Auch hierzu sind Rückmeldungen willkommen. Ich gehe davon aus, dass es bei Gelegenheit Updates geben wird, die – Arduino sei Dank – über die USB-Schnittstelle sehr einfach eingespielt werden können.

Die Software für dieses Projekt kann von der Ressourcen-Seite herunter geladen werden.

 

 

 

 

 

 

Gewitter-Monitor mit graphischer Anzeige

Nach Auskunft der Meteorologen lässt der Klimawandel es häufiger blitzen. Mit jedem Grad globaler Erwärmung steigt die Zahl der Blitze. Dabei haben die gewaltigen elektrostatischen Entladungen mit den entfesselten Naturkräften nichts von ihrer Faszination verloren. Um so mehr ein Grund, sich als Hobby-Elektroniker mit diesem Thema zu beschäftigen.

So habe ich mit viel Interesse die Diskussionen und Entwicklungen im Internet verfolgt. Z.B. ist der Franzis-Bausatz „Gewitterwarner“ ist ein schönes Gerät mit allerlei genialen Ideen, zum Beispiel, den AM-Empfänger TA7642 zum Empfang zu verwenden, die Empfindlichkeit durch die Betriebsspannung einzustellen, und die Blitze durch einen Flankendetektor im Mikrocontroller zu erfassen. Super!
Für meine eigenen Versuche wollte ich einen Schritt weiter gehen und den Analog-Digital-Konverter (ADC) des Mikrocontrollers dazu verwenden, Blitze mit hoher Empfindlichkeit über weite Entfernungen zu erfassen und quantitativ auszuwerten. Außerdem wollte ich den Verlauf der Intensität und Häufigkeit der Blitze über die Zeit aufzuzeichnen. Herausgekommen ist mein „Gewitter-Monitor“, den ich hier beschreibe.

Vorüberlegungen

Die Idee war, ein Gerät zu entwickeln, das elektrostatische Aktivitäten in der Atmosphäre beobachtet und Auskunft über die Häufigkeit und Stärke von Blitzen gibt. Mir ging es dabei um große Reichweite, so dass Gewitter lange vor dem Erscheinen von Blitz und Donner am Ort erkannt werden. Außerdem wollte ich den Verlauf aufzeichnen, zum Beispiel um zu sehen, ob die Blitz-Aktivitäten zu- oder abnehmen.

Das Design ist einfach: Die elektromagnetischen Impulse von Blitzen werden mit dem AM-Radio-Chip TA7642 empfangen, verstärkt und mit dem ADC eines ATmega ausgewertet. Der ADC erfasst für jeden registrierten Blitz den maximalen Pegel. Der Mikrocontroller summiert die Maxima und berechnet die Summe pro Minute. Ein graphisches LC-Display (GLCD) zeigt den Verlauf, und mit einer Leuchtdiode wird ein Warnlevel angezeigt.

Die Schaltung

Das Gerät besteht aus zwei Komponenten, dem Analogteil um den AM-Empfänger 7642, und dem Digitalteil basierend auf einem ATmega16.

Analogteil: Das Signal der Blitze erreicht die Schaltung über die Antennen. Ich habe die Eingangsschaltung vom Franzis-Gewitterwarner mit dem AM-Empfänger TA7642 und nachgeschaltetem Transistor weitgehend übernommen. Allerdings wollte ich die Empfangsfrequenz so tief wie möglich legen, um näher an das Frequenzmaximum von Gewitterblitzen zu kommen. Der Antennenschwingkreis besteht aus einer Spule von 10 cm Länge auf einem Ferritstab, 0.3 mm Kupferdraht, und zwei parallel-geschalteten 470 pF Kondensatoren. Die Resonanzfrequenz liegt ungefähr bei 100 kHz. Das ist so ziemlich am unteren Rand des Frequenzbereiches, den der TA7642 noch sinnvoll verstärkt (siehe „Frequenzgang des TA7642“, Elektronik-Labor). Aber es reicht noch aus für gute Empfindlichkeit.

Ferritantennen haben eine Richtwirkung. Deshalb kommen zwei Analog-Teile mit jeweils einer eigenen Antenne zum Einsatz. Die Antennen sind rechtwinklig zu einander und horizontal montiert sind. Die horizontale Anordnung bewirkt, dass die häufigeren Wolke-zu-Wolke Blitze erfasst werden. Die bereits zitierten Meteorologen sagen, dass im Durchschnitt 60% der Blitze zwischen den Wolken stattfinden, also horizontal orientiert sind, während die verbleibenden 40% zwischen Wolke und Erde verlaufen. Der eine Ferritstab hat seine höchste Empfindlichkeit in Nord-Süd-Richtung, der andere in Ost-West-Richtung. Die Richtungsinformation, die sich daraus ergibt, lässt sich allerdings kaum verwerten, da die Maxima der Ferritantennen sehr breit sind. Das Digital-Teil berechnet die Summe über beide Kanäle.

Antennen des Gewitter-Monitors
Antennen über Kreuz: Hier werden alle Himmelsrichtungen erfasst. Die Ferritstäbe sind zusammen mit den TA7642 auf eigenen Platinen montiert. Betriebsspannung und Ausgangssignale werden über ein kurzes Flachbandkabel an das Gerät angekoppelt.

Die Spannungsversorgung der beiden TA7642 stellt gleichzeitig die Empfangsempfindlichkeit ein. Ich verwende eine Konstantspannungsquelle mit einer Bandgap-Referenz TL431, die als einstellbare Zenerdiode fungiert. Mit einem Trimmer lässt sich die Spannung und damit die grundsätzliche Empfindlichkeit der Antennen einstellen. Ich habe mit Spannungswerten zwischen 1.5 und 1.6 Volt am 1 kOhm-Widerstand vor dem Empfänger-IC (siehe Schaltung) die besten Erfahrungen gesammelt.

Blitze sind seltene und sehr kurze Ereignisse. Um sie zuverlässig mit dem ADC zu erfassen, müsste man den ADC mit einer hohen Abtastfrequenz betreiben. Ich habe mich für einen anderen Weg entschieden und mit Hilfe des Operationsverstärkers MCP601 einen Maximalwerte-Speicher dazwischen geschaltet. Solche Peak-Detection-Schaltungen waren früher bei Audio-Aussteuerungsanzeigen, z.B. LED-Balken-Anzeigen, verbreitet. Der Ausgang des OpAmp lädt über eine Diode eine RC-Kombination (22 nF und 1 MOhm), die sich dann entsprechend ihrer Zeitkonstante wieder entlädt. Der Spannungswert steht damit ausreichend lange am ADC-Eingang zur Verfügung, so dass eine gemächliche ADC-Abtastrate von 250 Hz pro Kanal gut funktioniert. Da beide Antennen im Wechsel abgefragt werden, läuft der ADC mit 500 Hz, wobei er ständig zwischen den beiden Eingängen hin und her schaltet. Dieses Tempo ist gut verträgliches für einen ATmega ist. Bild 3 zeigt ein Oszilloskop-Bild am Eingang und Ausgang der Peak-Detection Schaltung.

Messung am Peak-Detektor
Messung am Peak-Detektor: Kanal 1 (blau) zeigt das Eingangssignal am OpAmp mit zwei kurzen Blitz-Impulsen. Kanal 2 (gelb) zeigt das langsam abfallende Ausgangssignal. In jedes 10 mS Intervall fallen im Schnitt 2.5 ADC-Wandlungen pro Kanal.

Schließlich enthält der Analogteil noch einen kleinen Audioverstärker, den man als akustischen Monitor zuschalten kann. Das ist zum Beispiel sehr nützlich, um einen geeigneten Aufstellungsort mit geringen Störsignalen zu finden.

Schaltung des Analogteils
Schaltung des Analogteils

Digitalteil: Der Digitalteil ist um den bewährten Atmega168 herum aufgebaut. Der Mikrocontroller wird mit einem 8 MHz-Quarz getaktet. Für den Betrieb der graphischen Anzeige ist eine ganze Menge Festkomma-Arithmetik notwendig, die zum Teil zeitkritisch ist. Deshalb ist die Taktrate von 8 MHz durchaus angemessen.

Die Ausgangsspannungen vom Analogteil erreichen den Mikrocontroller an den Eingängen ADC0 und ADC1. Der ADC wird so konfiguriert, dass er die interne Spannungsreferenz von 1.1V verwendet. Dieser Spannungslevel passt sehr gut zu den Ausgängen der OpAmps und kann ohne weitere Anpassung direkt verwendet werden.

Zwei weiße Leuchtdioden an Port C4 und C5 blinken kurz auf, wenn ein Blitz registriert wird. Die Software verwendet zwei Warnstufen, die durch die Blitzaktivitäten pro Minute ausgelöst werden. In der ersten Warnstufe schaltet Port C2 über einen PNP-Transistor die Hintergrund-Beleuchtung ein. Die Idee ist, dass das Gerät im Alltag ständig läuft und beim Aufziehen von Gewittern selbstständig das Display hell schaltet. Dann weiß man, dass etwas im Busche ist. Wenn die zweite Warnstufe erreicht ist, wird zusätzlich die rote Leuchtdiode an Port C3 aktiviert. Jetzt ist ein Gewitter sehr nah oder vielleicht auch schon direkt am Ort. Für neugierige Zeitgenossen – wie ich einer bin – gibt es eine Taste an Port B0, der die Hintergrund­beleuchtung manuell für 30 Sekunden aktiviert. Dann kann man registrierten Blitzaktivitäten sehen, auch wenn noch keine Warnstufe erreicht wurde.

Schaltung des Digitalteils
Schaltung des Digitalteils

Graphik-Display: Das graphische LC-Display von Sitronix war ein günstiger Kauf im Internet und lag schon eine ganze Weile auf meinem Arbeitstisch in Erwartung von interessanten Aufgaben. Seit einiger Zeit werden diese Displays mit einer Auflösung von 128 x 64 Pixeln für wenig Geld angeboten. Für mich war es das erste Projekt mit diesem Displaytyp, und es geht erstaunlich einfach. Der Display-Controller ST7920 hat die angenehme Eigenschaft, ein paralleles und ein serielles Interface mitzubringen (siehe GLCD Datenblatt). Wenn der Anschluss PSB auf Masse liegt, wird das Interface auf serielles SPI geschaltet. Dann sind nur 3 Leitungen zur Signalübertragung erforderlich. Zusammen mit den Stromversorgungen für Display und Hintergrundbeleuchtung kann man das Display mit nur 6 Leitungen am Mikrocontroller betreiben. Einfacher geht es nicht!

Die andere nützliche Eigenschaft des Displays ist, dass es dazu eine fix- und fertige Software-Bibliothek in C gibt, u8glib, die eine umfangreiche Sammlung von Treibern und Graphik-Primitiven anbietet (siehe U8glib). In meinem Programm kommen die Funktionen DrawPixel, DrawLine, und DrawString zum Einsatz. Tatsächlich funktionierte alles auf Anhieb. Ein Dank an die Macher dieser vielseitigen Bibliothek!

Graphik-Display mit SPI-Interface
Das Graphik-Display mit SPI-Interface benötigt nur 6 Leitungen zum Controller.

Die Software wurde in C entwickelt und wird direkt mit einem AVR-Programmer in den Flash-Speicher des Mikrocontroller geschrieben. Kernstück des Programms ist der regelmäßige Timer-Interrupt, der die Interrupt-Routine mit einer Frequenz von 500 Hz abarbeitet. Dort werden abwechselnd die beiden Antennensignale über die ADC-Kanäle eingelesen. Ein einfacher Software-Flankendetektor sucht nach Sprüngen zwischen zwei Werten, die einen Grenzwert (hier 150) übersteigen. Wenn ein solcher Sprung gefunden ist, sucht die Routine das Maximum des Blitzes und meldet an das Hauptprogramm, dass es etwas zu tun gibt. Das Hauptprogramm zeigt den gefundenen Maximalwert im Display auf der rechten Seite an. Außerdem berechnet es die Summe der Maxima pro Minute und produziert die Balkengraphik mit einer senkrechten Pixelreihe pro Minute. Das Display bietet Platz für die Aufzeichnung von 100 Minuten, wobei die alten Werte im Minutenrhythmus nach links geschoben werden. Schließlich wir einmal pro Minute eine lineare Regression der letzten 30 Minuten berechnet. Die resultierende Steigung wird unten rechts im Display angezeigt und ist eine Trendanalyse, ein Maß, ob der Pegel der Blitze in den letzten 30 Minuten angestiegen (= positive Werte) oder abgefallen (= negative Werte) ist. Allerdings ist der praktische Nutzen dieser Trendanalyse noch nicht recht überzeugend. Da gibt es noch Raum für Experimente.

Die Skalierung muss noch erklärt werden: Der ADC liefert Blitz-Maxima mit Werten zwischen 150 und 1024. Diese Werte werden auf 15 bis 100 skaliert. Der Wert 100 heißt also, dass ein Blitz den ADC maximal ausgesteuert hat. Die Werte werden pro Minute summiert. Eine Minuten-Summe von 500 zum Beispiel bedeutet, dass 5 maximal-starke Blitze registriert wurden, oder entsprechend eine größere Zahl schwächerer Blitze . Die Skala der Y-Achse reicht im Normalfall 0 bis 600 mit Markierungen in 100er-Schritten.

Wie beschrieben gibt es zwei Warnstufen: Wenn eine Minutensumme von 250 oder mehr erreicht wird, schaltet sich das Display automatisch ein. In der Regel ist dann von einem Gewitter noch lange nichts zu sehen oder zu hören. Die Signale kommen (noch) aus großer Entfernung. Wenn die Minutensumme 500 übersteigt, dann wird zusätzlich die rote Leuchtdiode aktiviert. Außerdem wird die Skala der Graphik auf einen Bereich von 0 bis 1200 umgeschaltet. Bei diesen Pegelwerten ist das Gewitter schon näher, zum Beispiel mit Wetterleuchten in der Ferne. Die Warnstufen werden nach 5 Minuten wieder zurückgesetzt.

Zum Testen von Hard- und Software braucht man nicht auf das nächste Gewitter zu warten. Ich habe mir mit einer weitgehend verbrauchten 9-Volt Block-Batterie einen „Blitz-Generator“ gebaut. Zwei etwa 10 cm lange Drahtstücke an die Batterieklemmen gelötet verwandeln die Batterie. Wenn man die blanken Drahtenden kurz miteinander in Kontakt bringt und das in 10 oder 20 cm Entfernung von den Antennen macht, dann sollte dieses Minigewitter Signale auf der Anzeige produzieren.

Praktische Erfahrungen

Ich habe das Gerät jetzt seit zwei Monaten in Betrieb und beobachte natürlich gespannt die Wetteraktivitäten. Der erste Eindruck: Die Empfindlichkeit ist enorm, besonders bei Nacht, wenn langwellige Radiosignale eine weite Ausbreitung haben. Wir hatten einige Nächte mit heftigen Gewittern in Südfrankreich oder Italien, immerhin 600 km oder mehr von meinem Wohnort entfernt. Ich konnte die Gewitter­aktivitäten mit Signalpegeln von 200 oder 300 pro Minute gut beobachten. Im August und September gab es kaum eine Nacht ohne empfangene Gewittersignale. Erst im Oktober wurde es ruhiger und brachte dann auch Tage und Nächte ganz ohne Aktivitäten auf der Anzeige.

Der Durchzug eines Wetterwechsels kündigt sich fast immer mit Gewitteraktivitäten an, die schon von weiter Entfernung als Signale auf der Anzeige erscheinen. Wenn ein Gewitter näher kommt und wir zum Beispiel am Abend auf der Terrasse Wetterleuchten beobachten können, dann zeigt das Gerät Pegel von 500 und mehr pro Minute. Wenn Gewittergrollen zu hören und ein Gewitter in direkter Nähe ist, dann ist das Gerät vollständig aus- und zum Teil auch übersteuert. Es werden durchgängig Maximalwerte angezeigt. Die folgenden Bilder zeigen, wie die Anzeige funktioniert und einige Beispiele.

Display-Anzeige
Viel Information auf kleinem Raum: So sieht die Anzeige an einem gewittrigen Abend aus. Die Gewitterfront ist mehrere hundert km weit weg, kommt aber stetig näher.
Mehr Beispiele von gemessenen Gewitter-Aktivitäten
Im linken Bild ist eine Gewitterzelle in der Ferne vorbeigezogen, ohne wirklich näher zu kommen. Im rechten Bild hat sich innerhalb von 40 Minuten ein heftiges lokales Gewitter entwickelt. Die rote Leuchtdiode wurde gesetzt, und die Skala auf den größeren Bereich umgeschaltet.

Im Laufe der Zeit hat sich das Gerät als eine schöne Erweiterung zu den verbreiteten Wetterstationen etabliert und gibt bereitwillig Auskunft über die atmosphärischen Aktivitäten und die Wetterlage.

Referenzen

Downloads

Firmware des GewitterMonitors, programmiert im AtmelStudio:  GewitterMonitor-Firmware