Nixie-Wetterstation mit Internetanschluss

Wetterstationen kennen wir in zahlreichen unterschiedlichen Formen und Designs. Als praktische kleine Helfer zeigen sie Temperatur, Wetterlage und andere Informationen an. Die hier vorgestellte Wetterstation ist mit ihren Nixie-Röhren etwas ganz Besonderes, denn sie verbindet eine klassische 50er-Jahre Anzeigetechnik mit modernen Internetdiensten.

Das Projekt

Geeignet für: engagierte Elektronikbastler mit guten Arduino Kenntnissen

Kosten (inkl. Röhren, Zoll und Versandkosten): ca. 200€

Zeitaufwand:

  • Zeitaufwand Platinen Bestückung: 3 Stunden
  • Zeitaufwand Platinen Herstellung: 2 Stunden
  • Softwareinstallation: 1 Stunde
  • Gehäusebau: 4 Stunden

Das wird benötigt:

  • die Teile aus diesem reichelt-Warenkorb (ohne Mechanik-Teile wie Schrauben etc.)
  • Werkzeuge: Lötkolben, Schraubendreher, Seitenschneider, Geräte für die Platinen-Herstellung (Belichter, Ätzanlage), Platinen-Bohrmaschine
  • Internetverbindung mit WLAN

Neben den Bauteilen aus dem Warenkorb befinden sich Bauteile auf der Platine, die im Internet beschafft werden müssen:

  • 2 Stück IN15A Nixie (% + – k Symbole)
  • 6 Stück IN12A Nixie (Zahlen)
  • 4 Stück K155ID1 (BCD zu Dezimal-Decoder für Nixie)
  • 6 Stück Fassung IN12
  • 1 Stück IN-9 (Bar-Graph-Anzeige)

Die Teile sind im Internet leicht erhältlich. Bei den Preisen muss man darauf achten, dass Einfuhrumsatzsteuer und Zoll noch auf den Anbieterpreis hinzukommen.

Bei der Wahl der Prozessoren kann zwischen zwei Modellen gewählt werden:

  • WEMOS D1 mini ohne Antenne
  • WEMOS D1 mini pro mit Antenne

Den WEMOS D1 mini pro sollte man einsetzen, wenn die WLAN-Empfangsverhältnisse nicht so gut sind. Ist zum Beispiel die Signalstärke unter -60dBm, kann die externe Antenne des WEMOS D1 mini pro den Empfang um +20dBm verbessern. Das kommt einem stabileren Betrieb zugute. Die Software ist für beide Prozessoren gleich.

Sicherheit

gelbes Warndreieck mit Hochspannungszeichen

Die Anzeigetechnik mit Nixieröhren erfordert eine Anodenspannung von 170V-Gleichspannung, damit die Röhren zünden können. Das ist weit außerhalb der Spezifikation von ungefährlichen Spannungen – mit anderen Worten potenziell lebensgefährlich. Es gibt zwar eine galvanische Trennung zum 230V-Netz, aber berührt man die auf der Anzeige platzierte Hochspannungserzeugung und zeitgleich zwei unter Hochspannung stehende Punkte, wird man dies deutlich spüren. Deshalb gilt: Aufpassen beim Hantieren mit der Platine!

Nach Abschalten der Uhr liegt noch etwa zwei Minuten lang eine Spannung von über 60V an den Bauteilen an. So lange sollte man die Platine nicht berühren. Muss man an der Anzeigeplatine messen, gilt die alte Elektrikerregel: „Eine Hand am Messobjekt und die andere Hand in der Hosentasche!“ So kann kein Strom durch den Körper fliesen.

Funktionen

Beginnen wir mit der Beschreibung der Wetterstation. Folgende Werte sollen angezeigt werden:

  • Raumtemperatur
  • Relative Luftfeuchte im Raum
  • Uhrzeit der letzten Datenaktualisierung

Anzeige von Wetterdaten aus mehreren Orten

Prinzipiell können für sechs weitere Orte Daten im Wechsel angezeigt werden. Welche Daten man sieht, bestimmt man durch das Stellen eines Drehschalters. Der Wechsel erfolgt im 30-Sekunden-Rhythmus. Hier können folgende Werte angezeigt werden:

  • Außentemperatur
  • Relative Luftfeuchte im Außenbereich
  • Luftdruck in hPa
  • Wetterlage (Schnee, Regen, Nebel, etc.)
In Zeile 88 des Quellcode können eigene Orte eingetragen werden. Max. 6 Orte sind möglich.
In Zeile 88 des Quellcode können eigene Orte eingetragen werden. Max. 6 Orte sind möglich.

Die Einträge in dieser Zeile bestehen aus dem Städtenamen (locationID) und, durch Komma getrennt, dem Land. Die Städtenamen und das Land können einer JSON-Datei entnommen werden die auf der Webseite von Openweather.org bereitgestellt wird.

Ist die Datei heruntergeladen und entpackt, erhält man das Format „city.list.json“. Dann kann man mit einem Editor die Datei öffnen und darin nach dem gewünschten Ort suchen.

Vorsicht: Die Datei ist sehr groß. Notepad oder ähnliche leichtgewichtige Editoren schaffen es nicht sie zu öffnen. Wir empfehlen deshalb, einen speziellen Text-Editor (z.B. rj-texted.se) zu verwenden.

Zugang zu Wetterdaten über das Internet

Alle Daten werden auch auf eine lokale Website übertragen. Diese wird in regelmäßigen Intervallen von der Wetterstation aktualisiert. So kann man die Anzeige der Wetterstation auch dann einsehen, wenn man sich nicht am Aufstellungsort befindet. Zudem kann mit den grauen Buttons auf der Website die Einstellung des Drehschalters auf der Wetterstation übergangen werden.

Aus Sicherheitsgründen können die Daten aber nur im eigenen lokalen Netz abgerufen werden – die Software kann die Daten nicht ins Internet übertragen.

Der Luftdruck wird nicht für den Innenraum angezeigt. Werden die Daten für den Innenraum angezeigt, ist die entsprechende Anzeige abgeschaltet.

Zurücksetzen der Wetterstation

Neben dem Drehschalter für die Auswahl der Orte befinden sich auf der Frontplatte noch zwei Taster:

  • Der Reset-Taster dient dem vollständigen Zurücksetzen der Station: Alle Daten werden gelöscht und neu eingelesen. Die WLAN-Daten bleiben jedoch erhalten.
  • Wird die Config-Taste beim Einschalten der Station gedrückt, werden alle WLAN-Daten gelöscht und müssen neu erfasst werden. Wie das im Einzelnen funktioniert, wird im Laufe des Artikels erklärt.
Die Webseite der Wetterstation
Die Webseite der Wetterstation

Datenquellen

Wo kommen nun all die angezeigten Daten her? Es gibt drei Datenquellen, die die Wetterstation mit Informationen versorgen:

Raumtemperatur und Luftfeuchte

Raumtemperatur und Luftfeuchte werden mit einem kombinierten Temperatur-/ Luftfeuchte-Sensor, einem DHT22-Sensor, erfasst.

Uhrzeit der letzten Messung

Die Uhrzeit der letzten Messung wird von einem NTP-Zeitserver geholt, der die Uhrzeit im UTC-Format (Unix time Code) liefert. Dieses Format gibt die Zeit als Anzahl der Sekunden, die seit dem 01.01.1970 vergangen sind, an. Die Software in der Wetterstation rechnet das UTC-Format in eine lesbare Zeitinformation um. Ist man Besitzer einer AVM-Fritzbox, so kann diese ebenfalls als Zeitserver genutzt werden. Das hat den Vorteil, dass so der Datenverkehr reduziert wird.

Welcher Zeitserver genutzt wird kann im Quellcode der Wetterstation eingestellt werden:

Einstellung des Zeitservers, in Zeile 94 und 95 des Quelltextes.
Einstellung des Zeitservers, in Zeile 94 und 95 des Quelltextes. Fritzbox ist aktiviert. US Zeitserver ist auskommentiert. Es darf nur ein Zeitserver aktiv sein!

Außentemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Wetterlage

Die Messwerte für die auswählbaren Orte werden, wie gesagt, von der Website Openweathermap.org geliefert. Um an die kostenlosen Daten zu gelangen, muss man sich dort registrieren und den kostenlosen Service auswählen. Daraufhin erhält man per Mail eine App-ID, die in den Quellcode eingetragen werden muss:

Einfügen der App-ID in den Quellcode an der gelb markierten Stelle, in Zeile 153
Einfügen der App-ID in den Quellcode an der gelb markierten Stelle, in Zeile 153

Hardware

Die gesamte Wetterstation befindet sich auf drei Platinen:

  • Hauptplatine
  • Uhrenplatine
  • Schalter- und LED-Platine
Die drei leeren Platinen
Die drei leeren Platinen

Die einzelnen Platinen sind mit PSG-Verbindern und Flachkabeln untereinander verbunden. Die Details dazu können dem Gesamtschaltbild entnommen werden.

Die Hochspannungsverbindung zur Uhrenplatine erfolgt über eine Schraubklemme und sollte mit einem Kabel ausgeführt werden, das mindestens 250V-Isolierspannung bietet. Ein 0,25mm²-Modell-Eisenbahndraht oder ein Klingeldraht halten den Anforderungen nicht stand.

Das Schaltbild mit Hauptplatine und Schalterplatine
Das Schaltbild mit Hauptplatine und Schalterplatine
Schaltbild der Uhrzeit Anzeige von der Wetterstation
Schaltbild der Uhrzeit Anzeige

Hauptplatine

Auf der Hauptplatine befinden sich Anzeigen für Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck. Des Weiteren finden sich dort der ESP8266-Controller (WEMOS D1 mini), die 5V-Logik-Spannung-Stabilisierung und die +170V-Hochspannungserzeugung. Die Bar-Graph-Anzeige für den Luftdruck wird seitlich an die Hauptplatine geschraubt. Die Ansteuerung dafür ist ebenfalls auf der Hauptplatine zu finden.

Das Layout der Platine wurde mit Sprintlayout erstellt und befindet sich in dem Datenpaket, das zum Download bereitgestellt wird. Möchte man die Platine selbst herstellen, kann das Layout mit dem kostenlosen Sprintlayout-Viewer ausgedruckt werden.

Die beiden 10-Gang-Potenziometer auf der Hauptplatine haben folgende Funktion:

  • Der R25 dient der Einstellung der Anodenspannung: Hier muss ein Wert von 170V eingestellt werden, wenn alle Anzeigen leuchten.
  • Der R8 dient der Anpassung der Frontplatten Skala an die Anzeige der IN-9-Bar-Graph-Anzeige.

Mehr Einstellungen sind auf der Platine nicht notwendig, der Rest wird von der Software geregelt.

Damit der Messwert nicht durch die Abwärme der Wetterstation verfälscht wird, muss der DHT22-Sensor außerhalb des Stationsgehäuses angebracht werden. Dies geschieht mit einem 12mm-Stecker und einem abgeschirmten dreiadrigen Kabel. Die Abschirmung des Kabels darf nur einseitig auf Masse gelegt werden. Sonst entstehen Brummstörungen, die das Messsignal stören.

Die bestückte Hauptplatine der Wetterstation
Die bestückte Hauptplatine (erste Version): Die Schraubbefestigungen der Röhrenfassungen wurden abgesägt, um auf der Platine Platz zu sparen
Schalterplatine und Hauptplatine der Wetterstation montiert
Schalterplatine und Hauptplatine montiert und unter Spannung

Wenn die blaue LED des WEMOS D1 mini stört, kann man sie ablöten. Sie hat keine Funktion in der Wetterstation.

Wer den Prozessor WEMOS D1 mini pro nutzt, muss für den Betrieb mit der externen Antenne eine Lötbrücke – gekennzeichnet mit einer 0 – umlegen. Diese befindet sich direkt neben dem Anschlussstecker für die Antenne. Einfach um 90° drehen und schon funktioniert es.

Die Stromversorgung der gesamten Wetterstation erfolgt mittels eines 12V/500mA-Stecker-Netzteils. Die gesamte Stromaufnahme der Wetterstation beträgt 250mA.

Schalterplatine

Die Schalterplatine wird per zehnpoligem Flachkabel mit der Hauptplatine verbunden. Sie hat folgende Funktionen:

  • Anzeige der Wetterlage per LED gemäß der Beschriftung auf der Frontplatte
  • Drehschalter zur Auswahl einer der sechs einprogrammierten Städte

Der Drehschalter ist am Analog-Port des WEMOS D1 mini angeschlossen. Über einen Spannungsteiler wird die Stellung des Drehschalters ausgewertet. Diese Hilfsschaltung ist notwendig, da der WEMOS D1 mini nicht über genug Ports verfügt. Eine weitere Besonderheit des Drehschalters ist seine Verdrahtung: Sie erfolgt freiverdrahtet zur Schalterplatine mit kurzen Drähten.

Uhrenplatine

Die Uhrenplatine ist oberhalb der Hauptplatine platziert und mit dem seriellen Bus der Hauptplatine verbunden. Wie auch die Hauptplatine enthält sie Bauteile, die im Internet erhältlich sind:

  • 4 Stück IN-17 (Mini Nixie)
  • 4 Stück K155ID1 (BCD zu Dezimal Decoder für Nixie)

Es gelten die gleichen Beschaffungsmodalitäten wie für die Bauteile der Hauptplatine.

Uhrenplatine mit provisorisch montiertem DHT22 Sensor
Uhrenplatine mit provisorisch montiertem DHT22 Sensor. Die rote Leitung rechts an der zweipoligen Klemme ist die Hochspannungsverbindung
Alle Platinen der Wetterstation montiert
Alle Platinen montiert

Software

Die Software ist komplett in der Arduino-Entwicklungsumgebung Version 1.8.13 erstellt worden. Die benötigten zusätzlichen Libraries sind im Header des Programms verlinkt. Man sollte darauf achten, keine Beta- oder Alpha-Versionen der Libraries zu benutzen. Die einzelnen Libraries können bei Github heruntergeladen werden.

Linkliste der benötigten Libraries:

#include <Arduino.h>
#include <NTPClient.h>https://github.com/arduino-libraries/NTPClient/archive/master.zip
#include <ESP8266WiFi.h>https://github.com/esp8266/Arduino/archive/master.zip = ESP8266 Master
#include <WiFiClient.h>Im ESP8266 Master enthalten
#include <ESP8266HTTPClient.h>Im ESP8266 Master enthalten
#include <DNSServer.h>Im ESP8266 Master enthalten
#include <WiFiManager.h>https://github.com/tzapu/WiFiManager/archive/master.zip
#include <DHT.h>https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library.git
#include <DTutils.h>https://github.com/simsum/DTutils/archive/master.zip
#include <Time.h>in DTutils Master enthalten
#include <LittleFS.h>https://github.com/littlefs-project/littlefs/archive/refs/heads/master.zip

Die im Quellcode notwendigen Individualisierungen sind in den Kapiteln Funktionen und Datenquellen beschrieben und müssen zwingend durchgeführt werden, da sonst der Sketch nicht kompilierbar ist.

Die Library „Filesystem LittleFS“ stellt den Anwender vor ein paar Herausforderungen: Sie erfordert eine eigene Ordnerstruktur innerhalb des Arduino-Sketch-Verzeichnisses, in dem ein Sketch für die Wetterstation abgelegt wurde. Als Unterordner muss es ein „data“-Verzeichnis geben, mit dem Dateien über LittleFS verwaltet werden. In diesem Projekt handelt es sich um die Base64-verschlüsselten Grafiken für die Website. Damit die Dateien in den WEMOS D1 mini geladen werden können, muss die Arduino-Umgebung um ein Tool erweitert werden. Es erlaubt den Upload der Grafikdateien in den Speicher des WEMOS D1 mini. Dieser Upload muss nur einmal je WEMOS D1 mini, der mit dem Sketch beladen wird, durchgeführt werden. Wie dieses Tool installiert wird, ist in der Beschreibung von LittleFS dokumentiert. Die Dateien inklusive der Ordnerstruktur befinden sich in dem ZIP-Archiv zu diesem Projekt Datei („Projekt-Download.zip“).

Ist das LittleFS Tool richtig installiert, wird die Arduino um den markierten Menüpunkt erweitert
Ist das LittleFS Tool richtig installiert, wird die Arduino um den markierten Menüpunkt erweitert

Integration der Wetterstation in das heimische WLAN

Damit die Wetterstation ihre Daten aus dem Internet erhalten kann, muss sie in das heimische WLAN integriert werden. Hierzu die Wetterstation als http-Server starten, das funktioniert wie folgt:

  • Config-Taste gedrückt halten. Dann die Wetterstation mit der Reset-Taste neu starten. Warten, bis alle Nixies mit Ausnahme eines „k-Symbols“ in der Temperaturanzeige erloschen sind. Dann Config-Taste loslassen.
  • Öffnet man nun die WLAN-Konfiguration eines WLAN-fähigen Gerätes (Laptop, Smartphone, Tablett), wird die Nixie-Wetterstation als eigenes Netzwerk angezeigt.
Der Wetterstation-Accesspoint auf einem Windows-10-PC zum Einrichten der Wetterstation
Der Wetterstation-Accesspoint auf einem Windows-10-PC
  • Nun kann eine Verbindung zu der Wetterstation hergestellt werden. Darauf achten, dass kein Internet-Browser gestartet ist, denn sonst funktioniert die Konfigurierung nicht. Der Accesspoint startet den Default Browser selbstständig.
Nixie-Wetterstation ausgewählt
Nixie-Wetterstation ausgewählt
  • Auf Verbinden klicken. Wenn der Accesspoint der Wetterstation verbunden ist, wird der Standardbrowser geöffnet und es erscheint die Anzeige in der folgenden Grafik:
WiFi_Manger auswählen zum einrichten der Wetterstation
„Configure WiFi“ auswählen
WiFi-Manger: Netzwerk und Passwort wählen zum einrichten der Wetterstation
Das gewünschte WLAN auswählen und das Zugangspasswort eintragen. Dann abspeichern.
  • Nach erfolgreichem Speichern wird die normale WLAN-Verbindung wieder hergestellt und der Accesspoint abgeschaltet. Nun ist die Nixie-Wetterstation ins heimische Netzwerk integriert und kann mit der Anzeige der Wetterdaten beginnen. Bis zur ersten Anzeige kann es bis zu einer Minute dauern.

Gehäuse

Ist die Elektronik funktionsfähig, kann man sich Gedanken über das Gehäuse machen. Der künstlerischen Freiheit sind hier keine Grenzen gesetzt. Das auf dem ersten Foto abgebildete Gehäuse besteht aus den folgenden Teilen:

  • Bodenplatte: 1,5mm-Aluminium-Blech 240x180mm, entsprechend den Platinen-Maßen gebohrt.
  • Obere und untere Abschlussbleche: 1,5mm-Aluminium-Blech 193x42mm, passend zum Seitenprofil gebohrt.
  • Frontplatte: 1,5mm-Gravierkunststoff 240x180mm, Messing/Schwarz. Hergestellt vom örtlichen Schilder-Gravierbetrieb nach den Daten, die sich im „Projekt-Download“ befinden.
  • Bei den beiden Seitenteilen handelt es sich um das Seitenprofil 1, schwarz eloxiert, 240mm lang, der Firma Gietec.

Im „Projekt-Download“ befinden sich die Dateien für das Gehäuse im HPGL-Format sowie im Abacom-Frontdesigner-Format. Planen Sie für den Gehäusebau etwas Zeit ein, denn es ist, je nach Werkstattausrüstung, der aufwendigste Teil.

Maritimes Wohnzimmer mit der Nixie-Wetterstation auf dem Tisch
Die fertige Nixie-Wetterstation

Das Projekt ist ein schönes Beispiel dafür, dass man 70 Jahre alte Anzeigetechnik bedenkenlos mit modernen Internet-Technologien vermischen kann. Was dabei raus kommt, ist ein echter Hingucker, den man nirgendwo kaufen kann und bestens geeignet ist als Geschenk für Leute, die schon alles haben.

Bilder: Adobe Stock und privat

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