Die Einzelteile meiner Blitzortungsanlage
Die Blitzortungsanlage System RED in Lonsee (blitzortung.org):
Motivation und Zielsetzung
Android Netatmo App
Gewitter detektieren, Blitze erkennen und zählen, Bewegungsrichtungen vorhersehen ..... das wäre doch mal so richtig geil.
Mit diesen Gedanken begann meine Internetrecherche. Das Ziel war, einen Blitzerkenner zu bauen.
Schon sehr schnell wurde ich auf das Forum
Blitzortung.org
aufmerksam. Schnell noch registrieren und loslegen ..... soweit der Gedanke.
Hier war von einem System GREEN und einen System RED die Rede. Und auch ganz neu das System BLUE.
Hier hatte sich ein Kreis Interessierter gefunden und ein Weltweit umspannendes Netzwerk von Blitzortungssystemen geschaffen.
Begeisterung machte sich bei mir breit und ich wollte unbedingt mitmachen.
Die Ernüchterung kam aber sehr schnell, als ich einen Blick auf die Warteliste der Hardware Bausätze für System BLUE warf.
Es erschien fast aussichtlos hier an Hardware zu kommen. So nahm ich via Mail Kontakt mit den Initiatoren des Netzwerks und das Glück war mir treu.
Ich bekam sogar eine Antwort. Und noch besser .... es war noch ein System RED, wenn auch defekt, zu haben und da dachte ich nicht lange nach.
Ein paar Tage später lag die defekte Controller-Einheit des System RED zusammen mit ein paar Antennen und den Bausätzen der Antennenverstärker auf meinem Schreibtisch.
So konnte ich mich an die Suche nach dem Defekt und das Löten der Baugruppen machen. HURRA!
Ich war dabei, mein System RED lag auf dem Schreibtisch und damit war mein ganz eigenes Projekt Blitzortung Lonsee geboren.
Diese Projekt möchte ich allen Interessierten hier nun kurz vorstellen.
Ich weise ausdrücklich darauf hin, dass jegliche Rechte und Copyright sowie geistiges Eigentum bei den Initiatoren der Blitzortung verbleibt.
Die folgenden Beschreibungen dienen letztlich der Dokumentation.
Mein ganz besonderer Dank geht an Egon Wanke nach Ratingen. Er ist für mich DER Kopf und geistige Vater der Blitzortung.org.
Umsetzung und Realisierung
Mit dem Projekt Blitzortung können Blitze auf wenige Meter genau erkannt und geortet werden.
Ermöglicht wird dies durch eine weltweite Community, welche entsprechende Messstationen aufbaut, installiert und betreibt.
Jede Station erfasst individuell für sich alleine Blitze und meldet diese zusammen mit einer GPS Standort- und Zeit-information an einen zentralen Server der Blitzortung.org.
Die erfassten Daten stehen dort in Echtzeit zur Verfügung.
Dies ist nicht nur naturwissenschaftlich interessant, sondern man kann -dank des Systems - eigene Aktivitäten im Freien planen.
Umfangreiche Karten und Apps wie z.B. die Blitzortung-App auf Smartphones erweitern und runden das gesamte System ab.
Im Folgenden hier also meine Station System RED in Lonsee im Detail, installiert im Sommer 2019, eine der tausenden Stationen weltweit.
Vielleicht noch ein paar Worte zu Details:
Die Ortung findet mit der sogenannten TOA (Time of arrival) Methode statt.
Die vom Blitz erzeugte elektromagnetische Signatur wird ausgewertet und mit einem Zeitstempel versehen zu einem zentralen Server geschickt.
Der Server fasst identische Signale verschiedener Empfänger zusammen und ermittelt über die Laufzeit die exakte Position.
Mindestens 6 Stationen sind dabei zur Positionsbestimmung nötig.
Da alle Empfänger ihren Referenztakt über den 1pps Ausgang des GPS Moduls beziehen, schafft dies einen vergleichbaren Zeitstempel im Mikrosekundenbereich.
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Wie Gewitter entstehen
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Time-of-Arrival Methode
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Hier ein paar Bilder zum Bausatz. Wie beschrieben habe ich ja die Controller-Platine fertig erhalten. Somit blieben mir die Lötarbeiten dazu erspart.
Für die Verstärker wurde jedoch die Lötstation geheizt :-).
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Der Bausatz System RED
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Details zum Bausatz System RED
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Die Kosten für den Bausatz liegen bei ca. 200€.
Das hier gezeigte System RED erforderte ein zeitintensive und sorgfältige Bestücken der Platinen per Hand.
Alle Bauteile sind aber größtenteils problemlos zu verarbeiten.
Etwas genauer muss man bei den kleinen OPAmps auf den Verstärkern hinsehen. Sie sitzen in einem kleinen SMD SOIC-8 Gehäuse.
Mittlerweile wurde das System RED vom System BLUE abgelöst.
Dieses kommt zum größten Teil mit SMD Bauteilen vorbestückt.
Verschiedene Antennentypen sind möglich.
Die E-Feld Antenne besteht aus einem vertikal aufgehängten Draht.
Sie empfängt das elektrische Feld.
H-Feld Antennen hingegen werten das Magnetfeld aus.
Dabei besteht die Auswahl zwischen Ferritstäben oder verschiedenen Loop Antennen.
E- oder H-Feld Antennen verwenden unterschiedliche Vorverstärker.
In meinem Projekt kommt eine 60 cm E-Feld Antenne sowie 2 Ferritantennen zum Einsatz.
Die Ferritantennen sind fertig gewickelt zu erhalten.
Mit den 20cm langen Ferritstäben kann die maximale Erkennungsdistanz je nach Bedingungen tagsüber bis 1000km und nachts bis 2000km betragen.
Wichtige Anmerkung:
Alle noch so kleinen Details zum System sind in der Gesamtdokumentation zum System RED beschrieben.
Dort finden sich auch die Schaltpläne, die Beschreibungen zu den Platinen, Aufbauanleitung, Beschreibung der SW, Flash-Anleitung, etc.
Die für mich relevanten Dokumente von Blitzortung.org sind gesammelt weiter unten im Kapitel
Mitgeltende Unterlagen und Dokumente
zu finden.
Doch lange Rede kurzer Sinn, wollen wir nun die Einzelteile detailliert betrachtet.
Das Controller-Board (System RED)
Das zentrale Herz des Blitzortungssystems ist das Controller-Board welches auf STM32 Prozessorboard STM32F4DISCOVER von STMicroelectronics basiert.
Das fertig bestückte Controller-Board
Das Controller-Board mit dem STM32 Discovery
Die Platine vom System RED adaptiert Peripherie wie GPS Empfänger, Netzwerkchip und LC-Display auf ein STM32 F4 Discovery Board.
Das System RED besteht also aus insgesamt zwei Platinen. Das neue System BLUE dagegen vereint alle Komponenten auf einer einzelnen Platine.
Die Firmware muss einmalig über USB geflasht werden, und kann anschließend wenn nötig über das Webinterface von jedem Rechner im Netzwerk aktualisiert werden.
Nach Registrierung am Server arbeitet die Station vollkommen automatisch.
Wenn nötig lassen sich Feineinstellungen per Webbrowser vornehmen.
Das Web-Frontend - Status
Das Web-Frontend - Signale
Der Antennenverstärker für H-Feld-Antennen (System RED)
Die H-Feld-Antenne wird mittels zweier Ferritantennen mit einer Länge von 20 cm umgesetzt.
Die Ferritstäbe müssen im 90 Grad Winkel zueinander ausgerichtet sein, damit Signale aus allen Richtungen empfangen werden können.
Sie werden dabei horizontal montiert.
Eine besondere Ausrichtung nach Himmelsrichtung ist nicht nötig.
Direkt an der Antenne befindet sich eine Platine mit dem passenden Vorverstärker.
Dieser wird mit einem RJ45 Netzwerkkabel mit dem Controller verbunden.
Um Störungen auszugleichen empfiehlt es sich, die Antennen im 45 Grad Winkel zum Vorverstärker zu montiert.
Der H-Feld Antennenverstärker PCB 12 Version 3
Die Antennenverstärker für E-Feld-Antennen (System RED)
Die E-Feld-Antenne wir mit einem einfachen Kupferdraht 1,5mm² realisiert. Allerdings benötigt man direkt am Kupferdraht einen Vorverstärker.
Der Vorverstärker wir mittels 75 Ω Koaxial-Kabel aus der Satelliten-Technik mit dem Antennenverstärker verbunden.
Der Antennenverstärker selbst ähnelt dem der H-Feld-Antenne.
Die Ausrichtung der E-Feld-Antennen erfolgt senkrecht.
Der E-Feld Vorverstärker PCB 14 Version 1
Der E-Feld Antennenverstärker PCB 13 Version 1
Die H-Feld-Antenne (Ferrit-Kern-Antenne)
Das folgende Bild zeigt eine 20 cm Ferrit-Kern-Antenne.
Eine 20cm Ferrit-Kern-Antenne
Zur Ferrit-Kern-Antenne sind folgende Dinge zu sagen:
Für das H-Feld-Antennensystem werden 2 solcher Ferrit-Antennen benötigt. Die Ferrit-Antennen sollten geschirmt werden.
Das kann entweder mittels Flachbandkabel geschehen (siehe hierzu detaillierte Beschreibung in der Dokumentation) oder aber mittels Alufolie oder Kupferfolie.
Wichtig ist, dass ein kleiner Spalt entlang der Längsrichtung offenbleibt. Hier darf kein Schirmungskurzschluss entstehen.
Bei gekauften Spulen wie sie z.B. über die Firma
Wolfgang Friese electronic
(Ferritantennen, Induktionsspulen und Zubehör) zu erhalten sind, ist ein Anschluss meist mit einem Knoten gekennzeichnet.
Dieser Anschluss ist an den Verstärkereingang anzuschließen.
Die E-Feld-Antenne
E-Feld-Antennen können auf verschiedene Art und Weise aufgebaut werden.
Es genügt in der Regel ein Stück Kupferdraht oder eine Kupferplatte welche an den Vorverstärker angeschlossen wird.
Hier einige Beispiele zur Umsetzung der E-Feld-Antenne aus der Dokumentation:
Beispiele zur Umsetzung der E-Feld-Antenne
Das fertige System
Die H-Feld-Antenne mit Verstärker
Wie schon beschrieben müssen die Ferritstäbe der H-Feld-Antenne im 90 Grad Winkel zueinander ausgerichtet sein.
Ich habe dies in meinem Projekt auf einer Leimholzplatte ausgeführt.
Die Ferrit-Stäbe sitzen in EN20 Installationsrohren mit einem Durchmesser von 20mm, innen mit Schaumstoff gepolstert und mit passenden Schellen auf dem Brett befestigt.
Die beiden Enden der Rohre habe ich mit Stuhlbeinkappen aus dem Baumarkt verschlossen.
Als Schirmung wurde 0,1mm starke Kupferfolie verwendet. Die Schirmung darf sich nicht überlappen und berühren. Es darf keine Kurzschlusswindung entstehen!
Direkt an der Antenne befindet sich eine in einem Winkel von 45 Grad zueinander die Platine mit dem passenden Vorverstärker.
Dieser wird mit einem einfachen RJ45 Netzwerkkabel mit dem Controller verbunden.
Hierzu habe ich 5m CAT.7 Gigabit Patchkabel geschirmt von BIGtec verwendet.
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Die fertige H-Feld-Antenne
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Der H-Feld-Antennenverstärker
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Die E-Feld-Antenne mit Verstärker
Winkeladapter
Die E-Feld-Antenne wurde von mir mit einem 60 cm langen 1,5mm² Kupferkabel realisiert, welches aus einem normalen Installationskabel stammt.
Das Kabel ist direkt am Antennen-Vorverstärker angeschlossen.
Das komplette Gebilde ist in einem 50 mm PP Abflussrohr mit Steckmuffen verbaut und ebenso auf einem Holzbrett gegen Umfallen fixiert.
Der Antennenanschluss für das Koaxial-Kabel erfolgt mittels 90 Grad F-Winkelstecker.
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Sockel der E-Feld-Antenne
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Die fertige E-Feld-Antenne
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Kopf der E-Feld-Antenne
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Die fertige H-Feld-Antennenverstärker
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Der zentrale Rechner
Zum Schluss noch als zentrale Recheneinheit das Controller-Board mit dem STM32 Discovery Board.
Es bildet das Herzstück des Systems.
Hier finden alle Berechnungen statt. Hier läuft das Web-Frontend und hier finden auch alle zentralen Einstellungen statt.
An diesem zentralen Punkt werden alle Verstärker via RJ45-Kabeln angeschlossen. Die Spannungsversorgung wird mittels Netzteils umgesetzt.
Gut zu erkennen ist der gemeinsame Erdungspunkt welcher der Empfehlung folgenden an einer Wasserleitung geerdet ist.
Es ist darauf zu achten, dass nicht die Erdungsleitung des Stromnetzes verwendet wird.
Auch die GPS-Antenne wird auf dem Controller-Board verschraubt. Sie sorgt weltweit für die richtige Zeit und Geo-Position.
Zur besseren Bedienung wurde der Taster zur Steuerung der Menüs direkt am Controller in den durchsichtigen Gehäusedeckel nach außen geführt.
Das erleichtert den Umgang und man muss das Gehäuse nicht öffnen.
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Die Zentralrecheneinheit
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Die Zentralrecheneinheit im Großformat
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Der Einbauort unter meinem Dach
Die Plattform blitzorung.org
Aktuelle Echtzeitdaten und Statistiken sind für jedermann ohne Anmeldung auf
blitzortung.org
oder
lightningmaps.org
einsehbar.
Stationsbetreiber haben für nicht kommerzielle Zwecke sogar Zugriff auf das komplette Datenarchiv.
Soft- und Hardware selbst sind Closed Source.
Darüber hinaus gibt es für Mitglieder das Forum und Zugriff auf eine Vielzahl an PHP-Skripten und Daten zur Auswertung der eignen Stationsdaten.
Blitzortung.org Live Lightning Maps
LightningMaps.org Live Maps
Links und Informationen
Nun noch ein paar interessante und nützliche Links zum Thema Blitzortung:
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Blitzortung.org - Das Forum, das Team, alle Informationen die man braucht
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LightningMaps.org - Das Community Projekt mit Karten und Apps und Skripten
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Stationsliste des Blitzortungs-Forums
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Blitzortung Online-Dokumentation
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Mitgeltende Unterlagen und Dokumente
Da die einzelnen Bedienungsanleitungen und Datenblätter im Internet selbst zum freien Download angeboten werden erlaube ich mir die jeweiligen Anleitungen und Dokumente hier zum Download zu verlinken!
Das Copyright der jeweiligen Datenblätter bleibt unangetastet.
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Gesamtdokumentation zum System RED (Englisch)
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Dokumentation zum System RED (Deutsch)
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Gesammelte Zusatzinformation zum Projekt
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Meine Blitzortung Zentrale
