MATERIALIEN: SENSORBOX
In der Sensorbox arbeiten verschiedene Sensoren, Elektronik, Stromversorgung und Funktechnik zusammen. Die UMS wurde so entwickelt, dass sie mobil eingesetzt, gemeinsam aufgebaut und für eigene Umweltmessungen genutzt werden kann.
Viele unterschiedliche Aufgaben – gemeinsam in einer Sensorbox.
Die UMS ist ungefähr 20 × 20 × 20 Zentimeter groß. In ihrem Inneren befinden sich nicht nur die Sensoren für die Umweltmessungen. Weitere Komponenten übernehmen die Verarbeitung und Anzeige der Messwerte, die Funkübertragung und die Energieversorgung.
Verschiedene Sensoren erfassen die Umweltbedingungen am jeweiligen Standort – darunter Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Feinstaub in unterschiedlichen Partikelgrößen, Umgebungslicht und Schallpegel. Zusätzlich wird der Standort der Messung per GPS erfasst.
Ein kleiner Mikrocontroller (ESP32) liest die angeschlossenen Sensoren mehrmals pro Sekunde aus, verarbeitet die Messwerte und bereitet sie für die weitere Verwendung vor.
Ein Funkmodul überträgt die gesammelten Messwerte alle paar Minuten per LoRaWAN. Über Funkempfänger in Reichweite gelangen die Daten anschließend ins Internet.
Ein stromsparendes Display zeigt aktuelle Messwerte direkt an der UMS an. So lassen sich die Messungen bereits vor Ort beobachten.
Zwei Akkus in einem geschlossenen Modul versorgen die UMS mit Energie. Eine Ladeelektronik und ein Solarmodul ermöglichen es, die Akkus während des Einsatzes nachzuladen.
Eine Platine verbindet die verschiedenen Komponenten der UMS miteinander. Verwechslungssichere Steckplätze helfen dabei, Sensoren und weitere Bauteile an den vorgesehenen Anschlüssen zu verbinden.
Ein inneres Skelett trägt Sensoren und Elektronik und hält die Komponenten an ihren vorgesehenen Positionen. Das Gehäuse umschließt und schützt den Aufbau der Sensorbox.
Die einzelnen Sensoren und Komponenten arbeiten nicht unabhängig voneinander. Eine zentrale Platine verbindet die Baugruppen; eine kleine Steuereinheit (ESP32) liest Messwerte ein und bereitet sie auf, während ein Funkmodul die Übertragung per LoRaWAN übernimmt.
Die Sensoren und die Elektronik werden nicht einfach lose im Gehäuse befestigt. Eine eigene innere Trägerstruktur nimmt die Komponenten auf und hält sie an den vorgesehenen Positionen. Dadurch bleibt der Aufbau übersichtlich und lässt sich leichter montieren und warten.
Die UMS wurde als mobile Messstation entwickelt. Sie kann an unterschiedlichen Orten eingesetzt werden und dort über einen längeren Zeitraum Umweltdaten erfassen.
Die Stromversorgung erfolgt über zwei Akkus. Ohne zusätzliche Solarenergie kann die Sensorbox ungefähr zwei Tage betrieben werden. Das Solarmodul unterstützt dabei, die Akkus während des Einsatzes nachzuladen und die mögliche Messdauer zu verlängern.
Messen, Standort wechseln, vergleichen – die UMS ist nicht an einen festen Messort gebunden.
Die Messwerte werden nicht nur per Funk zur späteren Auswertung übertragen. Ein Display an der UMS zeigt wichtige Messwerte auch direkt vor Ort an. So lässt sich bereits während einer Messung beobachten, was die Sensoren erfassen.
Eine Sensorbox entsteht nicht nur am Computer. Beim Aufbau und bei praktischen Tests zeigte sich, dass auch die Anordnung der Komponenten und die Konstruktion des Gehäuses Einfluss darauf haben, wie gut sich die UMS aufbauen, warten und für Messungen einsetzen lässt.
Elektronik erzeugt selbst Wärme. In einer geschlossenen Sensorbox kann dadurch die gemessene Temperatur beeinflusst werden. Bei der Entwicklung wurde deshalb darauf geachtet, dass Luft durch das Gehäuse strömen kann und die Sensoren die Umgebung möglichst unverfälscht erfassen.
Der Feinstaubsensor arbeitet mit einem kleinen Lüfter. Dessen Geräusch kann die Messung des Schallpegels beeinflussen. Deshalb wurden Feinstaub- und Schallmessung räumlich voneinander getrennt.
Beim gemeinsamen Aufbau der UMS sollen sich die Komponenten möglichst einfach richtig anschließen lassen. Unterschiedlich ausgeführte und eindeutig zugeordnete Steckverbindungen helfen dabei, falsche Verbindungen zu vermeiden.
Bei der Entwicklung zeigte sich, dass ein eigener innerer Träger hilft, die Komponenten geordnet zu halten und Aufbau sowie Wartung übersichtlich zu gestalten.
Auch kleine konstruktive Details können darüber entscheiden, wie zuverlässig eine Umweltmessstation misst und wie einfach sie sich aufbauen lässt.
Schritt-für-Schritt-Anleitung für den Aufbau der UMS mit Hinweisen zur Montage und zum sicheren Umgang mit den Komponenten.
Material folgtÜbersicht über die Bauteile und Komponenten, die für den Aufbau einer UMS benötigt werden.
Material folgtTechnische Unterlagen zur Hauptplatine und zur Verbindung der elektronischen Komponenten.
Material folgtUnterlagen und Fertigungsdateien für Gehäuse und mechanische Bauteile der UMS, zum Beispiel für Lasercut und 3D-Druck.
Material folgtSoftware für die UMS, die Sensoren ausliest, Messwerte verarbeitet und die Daten für die Übertragung vorbereitet.
Material folgtDokumentation zur technischen Verarbeitung, Übertragung und Speicherung der Messdaten.
Material folgtDokumentation zur Darstellung und Auswertung der gespeicherten Messdaten in Diagrammen, Übersichten und Karten.
Material folgtQuellcode, Projektdateien und weitere technische Unterlagen zur UMS werden über GitHub bereitgestellt.
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