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1a. Steuerung und Spannungsversorgung - ESP32

Diese Anleitung beschreibt die Anbindung der Wetterstation über einen ESP32. Wir verwenden hier einen NodeMCU-ESP32 (Dev Kit C V2/V4). Er ist kostengünstig, klein, bringt bereits eine WLAN-Anbindung sowie Analogeingänge mit und der Stromverbrauch ist sehr gering.

Selbstverständlich könnt ihr auch jeden anderen ESP verwenden, auch ein ESP8266 reicht theoretisch aus. Da ihr hier aber ein zusätzliches Modul für Analogeingänge anschaffen müsst, macht sich das preislich kaum etwas aus. Ich empfehle daher auf einen ESP32 zu gehen.

Einkaufsliste

Komponente Preis Bezugsquelle (Beispiel)
NodeMCU-ESP32 Dev Kit C V2/V4 5 EUR Amazon
Netzteilmodul 24V → 5V MP1584 1,50 EUR Amazon
Netzteil 12V / 1A 7 EUR Amazon
Streifenraster-Platine 160 x 100 mm, RM 2,54mm 2 EUR Amazon
Buchsen-/Steckerleiste 1-polig, RM 2,54mm (Set) (7 EUR) Amazon
PCB Schraubklemmen RM 2.54mm, verschiedene Größen (1 EUR) Amazon
Buchsenleiste, 2x20 Stifte 2,54 mm 1 EUR Amazon
GESAMT 16 EUR

NodeMCU-ESP32 Dev Kit C V2/V4

Der ESP32 kommt gesockelt auf eine kleine Streifenraster-Platine. Die Platine nimmt den ESP32 sowie die Spannungsversorgung auf und "konvertiert" die I/Os des ESP32 auf das Format des Raspberrys. Damit passt dann später der Prototyping Head des Raspberrys auch auf den ESP32.

Es gibt verschiedene Modelle des NodeMCU-ESP32 - oft auch als Dev Kit C bezeichnet. Am häufigsten findet man die Version 2 und Version 4. Letztendlich funktionieren beide und unterscheiden sich nur im Platinendesign (und sicherlich in einigen Optimierungen). Ich würde versuchen eine Version 4 zu finden.

Links: ESP-32 Dev Kit C V2 - Rechts: ESP-32 Dev Kit C V4 / Beide Abbildungen © https://www.az-delivery.de/

Stromversorgung

Wir verwenden für das Projekt kein Standard-5V-Netzteil für den ESP32. Der Grund: Einige Sensoren benötigen eine Spannungsversorgung von 12V-30V. Daher nutzen wir ein 12V (oder alternativ 24V) Netzteil und steppen die 5V Spannung, die der ESP32 benötigt, entsprechend herunter.

Der ESP32 ist dabei sehr anspruchslos und verbraucht nur extrem wenig Energie. Die Sensoren benötigen etwas zusätzliche Energie. Daher können wir zur Erzeugung der notwendigen 5V-Spannung für den ESP32 einen Mini DC-DC Wandler (Typ MP1584) verwenden. Auch das Netzteil kann ein kleines 1A-Netzteil sein.

Mini MP1584 DC-DC 3A Adjustable Buck Module, © https://components101.com

Zusammenbau der Platine

Die Platine ist simpel aufgebaut und die Lötarbeit ist schnell erledigt. Achtet darauf, dass ihr das korrekte Layout für euren ESP32 verwendet! Ich habe hier Version 2 und Version 4 des Layouts bereit gestellt. Wenn ihr einen anderen ESP32 verwendet, müsst ihr die entsprechenden PINs passend verkabeln. Besorgt Euch dazu das PIN-Layout eures ESP und "konvertiert" es entsprechend auf die GPIO-PINs des Raspberrys.

Raspberry GPIO Raspberry PIN ESP32
I2C SDA GPIO 2 3 GPIO 21
I2C SCL GPIO 3 5 GPIO 22
DI Regenmenge GPIO 17 11 GPIO27, ADC2_CH7, TOUCH_CH7
DI Windspeed GPIO 27 13 GPIO26, ADC2_CH9, DAC_2
DI Regen (ja/nein) GPIO 22 15 GPIO25, ADC2_CH8, DAC_1
DI Blitzsensor GPIO 18 12 GPIO33, ADC1_CH5, TOUCH_CH8, XTAL_32K_N
AI Dämmerungssensor (ADS1115 P0) GPIO34, ADC1_CH6, VDET_1
AI UV-Sensor (ADS1115 P1) GPIO 39, ADC1_CH3, S_VN
AI Windrichtung (ADS1115 P2) GPIO 36, ADC1_CH0, S_VP

PIN-Out des Raspberrys © https://www.raspberrypi-spy.co.uk/2012/06/simple-guide-to-the-rpi-gpio-header-and-pins/

PIN-Out des ESP-32 Dev Kit C V2 © https://www.az-delivery.de/

PIN-Out des ESP-32 Dev Kit C V4 © https://www.az-delivery.de/

Die fertige Platine sieht dann so aus:

Links: ESP-32 Dev Kit C V2 - Rechts: ESP-32 Dev Kit C V4

Grundaufbau

Ihr benötigt:

  • Streifenrasterplatine 19 (H) x 27 (B) Bohrungen
  • 2x PCB Schraubklemmen RM 2.54mm: 2-polig
  • 1x PCB Schraubklemmen RM 2.54mm: 3-polig
  • 2x Buchsenleiste 1-polig, RM 2,54mm: 15 Beine (ESP-32 Dev Kit C V2)
  • 2x Buchsenleiste 1-polig, RM 2,54mm: 19 Beine (ESP-32 Dev Kit C V4)
  • 2x Steckerleiste 1-polig, RM 2,54mm: 20 Beine
  • 4x Steckerleiste 1-polig, RM 2,54mm: 2 Beine
  • 1x Buchsenleiste, 2x20 Stifte

Achtet beim Layout auf die 3 durchgehenden Trennstellen der Streifen! Die Trennstellen sind durchgehend von links nach rechts! Am Besten macht man so etwas mit einem Dremel oder alternativ mit einem Cuttermesser.

Nachdem ich die Stecker- bzw. Buchsenleisten und Schraubklemmen angelöetet habt, setzt ihr mit den Steckerleisten mit 2 Beinchen noch den DC-Stepdown-Wandler auf die Platine und verlötet diesen. Anschließend schließt er 12V an den Spannungswandler an und justiert den Drehpoti auf dem Spannungswandler so, das am Ausgang ca. 5,2V anliegen. Ich habe den Drehpoti anschließend mit einem Tropfen Sekundenkleber fixiert.

Links: ESP-32 Dev Kit C V2 - Rechts: ESP-32 Dev Kit C V4

Die Buchsenleiste mit 2x20 Stiften steckt ihr nun noch auf den oberen 2x20 Stift-Header. Sie dient als Abstandshalter für den späteren Prototyping Hat. Ohne passt der ESP32 nicht unter die Platine.

Verkabelung

Ihr benötigt:

  • Kabel Blau
  • Kabel Weiß
  • Kabel Rot
  • Kabel Schwarz
  • Kabel Orange
  • Kabel Gelb

Nun werden die I/O-Pins des ESP32 passend mit den PINs der Steckerleiste für den Raspberry verbunden.

Links: ESP-32 Dev Kit C V2 - Rechts: ESP-32 Dev Kit C V4