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M5Stack Prototyping Platform

Im Blogbeitrag Rapid Prototyping mit M5Stack hatte ich die M5Stack Family als interessante Prototyping Platform vorgestellt.

Dieser Beitrag zeigt an Hand einer einfachen Wetterstation als Beispiel einer nahezu beliebigen IoT-Anwendung, wie mit M5Stack Komponenten schnell ein ansehnlicher Prototyp erstellt werden kann

Mit einem M5Stack Basic Core und einer ENV Unit zur Erfassung von Temperatur, rel. Luftfeuchte und Luftdruck sowie einem SIM800L Module zum Versenden der Daten über GPRS hat man schnell eine abgesetzte Wetterstation aufgebaut, die auch ohne WLAN Zugang autonom funktionieren kann.

Der M5Stack Core besitzt in seinem Unterteil nur einen 150 mAh. Will man die Akkuleistung, beispielsweise zur Pufferung, erhöhen, dann kann ein M5GO/FIRE Battery Bottom Charging Base als Unterteil eingesetzt werden.

M5Stack Basic Core

Die ENV Unit ist ein Umgebungssensor, der zur Messung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Luftdruck verwendet werden kann. Intern werden die Sensoren DHT12 und BMP280 verwendet.

Der DHT12 ist eine Weiterentwicklung des bekannten DHT11 Sensors, der nun präziser und mit einer I2C-Schnittstelle ausgestattet ist. Der BMP280 ist ein barometrischer Drucksensor, der speziell für mobile Anwendungen entwickelt wurde.

Kontaktiert wird die ENV Unit über den an der linken Seite des M5Stack Basic Core angeordneten Grove-PortA (i2C).

ENV Unit with Temperature Humidity Pressure Sensor (DHT12+BMP280)

SIM800L ist ein Mobiltelefonmodul auf Basis des SIM800L GSM / GPRS-Modul von SIMCOM,

GSM Module SIM800L with MIC & Headphone Jack

Mit diesen drei Komponenten wird die Wetterstation aufgebaut. Die Kosten der ansprechenden Anordnung belaufen sich dabei auf:

KomponentePreis
M5Stack Basic Core$ 27.95
ENV Unit$ 3.39
GSM Module SIM800L with MIC & Headphone Jack $ 9.95
Summe$ 41.29

Die folgenden Bilder zeigen den Ablauf vom Programmstart bis zum Abschluss der Übertragung des Temperaturmesswertes, der hier für die Evaluierung ausreichend erschient.

Initialisierung nach Programmstart
Messwerte erfasst – Versenden zum Thingspeak Server
Messwerte versendet

Der Quelltext für das Programm M5Stack_DHT12_Thingspeak ist auf Github unter https://github.com/ckuehnel/M5Stack/tree/master/M5Stack/M5Stack_DHT12_Thingspeak abgelegt. Anpassungen auf weitere Parameter und andere Displayausgaben können nach dem Download leicht vorgenommen werden. Programmiert wurde mit der Arduino IDE v1.8.9.

Das Ergebnis der abendlichen Abkühlung ist im folgenden Bild zu sehen.

Temperaturverlauf 6.08.2019 abends

Ein Wort noch zur Stromversorgung. Der SIM800L ist bekannt dafür, dass er in Spitzen bis zu 2 A Stromaufnahme verzeichnet. Die Spannungsversorgung kann beim M5Stack aber vernünftig nur über den USB-Anschluss erfolgen. Dadurch ist der zur Verfügung stehende Strom limitiert.

Ich habe einen D-Link DUB-H4 USB-Hub verwendet, der vier Downstream-USB-Anschlüsse Typ A (Buchse) inklusive Schnellladeanschluss besitzt und durch ein externes Netzteil gespeist wird.

Der fürs iPad u.a. stromhungrige Verbraucher gedachte Schnellladeanschluss dient hier zur Stromversorgung und die sporadischen Brown Out-Resets des ESP32 sind Vergangenheit.

Messung der Wassertemperatur

Auf meiner Website http://ckuehnel.ch/WetterVitte.html habe ich Temperaturangaben für Vitte auf der Insel Hiddensee.

Die Angaben aus dem Netz für die Wassertemperatur der Ostsee zeigen erhebliche Differenzen. Gelistet sind auf der Website Wassertemperaturen aus folgenden Quellen:

Mit dem im Post Rapid Prototyping mit M5Stack beschriebenen M5StickC und einem wasserdichten DS18B20-Temperatursensor mit einer Zuleitungslänge von 1 m habe ich ein portables Messgerät aufgebaut, mit dem die Wassertemperatur in 1 m Tiefe gemessen werden kann.

Die Messwerte für den Zeitraum 4.06. bis 13.06.2019 sind als Excel-Sheet abrufbar.

Gemessen wurde am Wasserrand nahe der Oberfläche und im Wasser (Strandnähe) bei 1 m Wassertiefe. Interessant sind für mich folgende Feststellungen:

  • die Messwerte schwanken viel stärker als vom BSH für Kloster angegeben
  • bei Ostwind sinkt die Wassertemperatur erheblich, was in den BSH Daten kaum sichtbar wird
  • bei Wellengang unterscheiden sich die Messwerte am Rand nur wenig von denen in 1 m Tiefe, was sich durch die Durchmischung des Wassers erklärt.
  • es erscheint dennoch recht schwierig, von solchen Messungen verallgemeinerungsfähige Aussagen abzuleiten
  • definierte Messbedingungen und die Einhaltung dieser sind unabdingbare Voraussetzungen für die Vergleichbarkeit solcher Messwerte
Lage der Messstelle

Rapid Prototyping mit M5Stack

Wem es bislang an Baugruppen mit einem vernünftigen Gehäuse für die Entwicklung seiner Prototypen gemangelt hat, dem wird mit M5Stack Komponenten eine ansprechende Lösung angeboten.

Hier sind aus dem Angebot von M5Stack zwei Core Module:

Generell weisen beide Core Module einen ESP32 als Controller auf.

Die M5Stack Komponenten werden von zahlreichen Lieferanten angeboten und sind nicht nur bei Bezug aus Fernost sehr preiswert.

KomponenteAliexpress
M5Stack CoreUS$ 27.60
M5StickCUS$ 9.90
ENV UnitUS$ 3.20

Ich habe mit dem M5StickC erste Versuche unternommen, um seine Eignung für ein portables Messgerät zu testen. Der M5StickC ist mit einem 80 mAh LiPo-Akku ausgerüstet, was keine großen Akkulaufzeit erwarten lässt.

Der M5StickC ist mit einem Power System Management Chip AXP192 ausgestattet, der ein USB-kompatibles Ladegerät, DC-DC-Wandler, Low-Dropout-Linearregler, Spannungs- /Strom- /Temperaturüberwachung und Multi-Kanal 12-Bit ADC aufweist. Die Überwachung des Ladezustand des LiPo-Akkus kann über diesen Chip erfolgen.

Der ESP32 weist zwei I2C-Busse auf. Über den ersten werden die internen Chips AXP32 (0x34), BM8563 (0x51) und SH200Q (0x6C) angesteuert. Der zweite I2C-Bus ist am GROVE-Connector verfügbar.

Für einen ersten Test schließe ich eine ENV Unit über den GROVE-Connector an. Dieses Modul beinhaltet einen DHT12 (0x5C) und einem BMP280 (0x76) Sensor und erfasst damit Temperatur, relative Luftfeuchte und barometrischen Druck.

Das Programmbeispiel M5StickC_ENV.ino erfüllt zwei Aufgaben:

  1. Erfassen von Temperatur, relativer Luftfeuchte und barometrischem Druck über die angeschlossene ENV Unit.
  2. Erfassen von Batteriespannung und Ladestrom für den LiPo-Akku

Das Programmbeispiel ist auf Github abgelegt.

Ausgehend von einem voll aufgeladenen LiPo-Akku habe ich die USB-Verbindung getrennt und das angegebene Programmbeispiel batterie-betrieben laufen lassen. Es hat sich folgender Entladevorgang gezeigt.

Nach reichlich 60 Minuten war die Kapazität des Akkus erschöpft und das System schaltete sich ab. Die folgenden Bilder demonstrieren diesen Vorgang.

Beginn mit voll aufgeladenem LiPo-Akku
Entladung nach 10 Minuten
Erneutes Aufladen des LiPo-Akkus

Es soll an dieser Stelle noch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass für den Betrieb hier keine WiFi-Verbindung genutzt wurde. Eine WiFi-Verbindung erhöht den Stromverbrauch deutlich, so dass wesentlich geringere Laufzeiten erwartet werden müssen.