SYSTEM
🌦️ TTN Wetterstation – ESP32 & 7,5″ E-Paper
Eine zentrale Wetter- und Statusanzeige auf Basis eines ESP32, die Messwerte mehrerer LoRaWAN-Sensoren über The Things Network (TTN) empfängt und auf einem 7,5″-E-Paper-Display darstellt.
Zusätzlich wird über die OpenWeatherMap API eine 3-Tage-Wettervorhersage abgerufen und auf dem Display angezeigt.
📷 Projekt
Die Wetterstation verbindet LoRaWAN, The Things Network, MQTT, WLAN und ein großes E-Paper-Display zu einer zentralen Informationsanzeige.
🏗️ Systemarchitektur
LoRaWAN 868 MHz
│
┌───────────┴───────────┐
│ │
┌──────▼──────┐ ┌──────▼──────┐
│ Sensor │ │ Sensor │
│ 15-01 │ │ 15-02 │
│ │ │ │
│ Temperatur │ │ Temperatur │
│ Feuchte │ │ Distanz │
│ Außen │ │ │
└──────┬──────┘ └──────┬──────┘
│ │
└───────────┬───────────┘
│
▼
┌─────────────────┐
│ LoRaWAN Gateway │
│ │
│ 868 MHz │
└────────┬────────┘
│
Internet
│
▼
┌─────────────────┐
│ TTN │
│ │
│ The Things │
│ Network │
└────────┬────────┘
│
MQTT / TLS
Port 8883
│
▼
┌─────────────────┐
│ ESP32 │
│ │
│ MQTT Client │
│ JSON Verarbeitung│
│ Datenaufbereitung│
└────────┬────────┘
│
▼
┌─────────────────┐
│ 7,5" E-Paper │
│ │
│ Wetterdaten │
│ Status │
│ Forecast │
└─────────────────┘
☁️ Wettervorhersage
Die Wettervorhersage verwendet einen separaten Datenweg:
┌──────────────┐
│ ESP32 │
└──────┬───────┘
│
│ HTTP
▼
┌──────────────────┐
│ OpenWeatherMap │
│ │
│ Halle / Wetter │
└────────┬─────────┘
│
│ JSON
▼
┌──────────────────┐
│ ESP32 │
│ │
│ Auswertung │
│ + Wettersymbole │
└────────┬─────────┘
│
▼
E-Paper Display
Die Wettervorhersage wird alle 30 Minuten aktualisiert.
📡 LoRaWAN-Sensoren
Sensor 15-01
Der Sensor 15-01 überträgt:
| Daten | Bedeutung |
|---|---|
TempC_SHT | Temperatur |
Hum_SHT | Luftfeuchtigkeit |
TempC_DS | Außentemperatur |
Die Werte werden im ESP32 folgenden Variablen zugeordnet:
TempC_SHT → temp_raum1
Hum_SHT → hum_raum1
TempC_DS → temp_aussen
Sensor 15-02
Der Sensor 15-02 überträgt:
| Daten | Bedeutung |
|---|---|
temperature | Temperatur |
distance_m | Distanz |
Die Temperatur wird im ESP32 um 4 °C korrigiert.
temperature
│
▼
- 4 °C
│
▼
temp_raum2
Die Distanz wird zusätzlich zur Ermittlung des Status verwendet.
📡 Datenübertragung
Die Sensoren übertragen ihre Daten per LoRaWAN an das Gateway.
Sensor
│
│ LoRaWAN
▼
Gateway
│
│ Internet
▼
TTN
│
│ MQTT
▼
ESP32
Der ESP32 verwendet die TTN-MQTT-Schnittstelle:
MQTT Server:
eu1.cloud.thethings.network
Port:
8883
Die Kommunikation erfolgt über MQTT/TLS.
📬 MQTT
Der ESP32 abonniert das Topic:
v3/015@ttn/devices/+/up
Das + ist ein MQTT-Wildcard.
Dadurch können Uplink-Nachrichten mehrerer Geräte empfangen werden.
📦 TTN JSON-Daten
Die eingehenden MQTT-Nachrichten werden mit ArduinoJson verarbeitet.
Der relevante Bereich der TTN-Nachricht ist:
uplink_message
└── decoded_payload
Die Device-ID wird aus
end_device_ids
└── device_id
ausgelesen.
Damit entscheidet der ESP32, welchem Sensor die empfangenen Daten zugeordnet werden.
🔄 Datenverarbeitung im ESP32
Der Ablauf einer eingehenden Nachricht:
MQTT Nachricht
│
▼
callback()
│
▼
JSON dekodieren
│
▼
Device-ID ermitteln
│
├───────────────┐
│ │
15-01 15-02
│ │
▼ ▼
Temperatur Temperatur
Feuchte Distanz
Außen -4 °C
│ │
└───────┬───────┘
│
▼
updateNeeded = true
│
▼
Display aktualisieren
🖥️ Display
Das Projekt verwendet ein 7,5″-E-Paper-Display.
Die Anzeige ist in zwei Bereiche aufgeteilt.
Linker Bereich – Sensordaten
┌─────────────────────────────────┐
│ TTN WETTERSTATION │
│─────────────────────────────────│
│ │
│ Aussen : xx.x C │
│ │
│ Schlafzimmer : xx.x C │
│ │
│ Innen : xx.x C │
│ │
│ Feuchte : xx % │
│ │
│ Distanz : x.xx m │
│ │
│ Letzter Upload 15-01 : xx:xx:xx │
│ Letzter Upload 15-02 : xx:xx:xx │
│ │
│ STATUS : FREI │
│ │
│ WLAN OK MQTT OK │
└─────────────────────────────────┘
🚦 Statusanzeige
Der Distanzwert des Sensors 15-02 wird für eine Belegt-/Frei-Anzeige verwendet.
Die Schaltschwelle beträgt:
1,3 m
Logik:
distance < 1,3 m
│
├── JA → BESETZT
│
└── NEIN → FREI
Damit kann beispielsweise ein Stellplatz, Bereich oder Abstand überwacht werden.
🌤️ 3-Tage-Wettervorhersage
Auf der rechten Seite des Displays werden drei Tage dargestellt.
Für jeden Tag werden angezeigt:
- Datum
- minimale Temperatur
- maximale Temperatur
- Wetterbeschreibung
- Wettersymbol
Die Wettercodes werden in eigene Symbole umgesetzt:
| OpenWeatherMap Code | Anzeige |
|---|---|
01 | ☀ Sonne |
02 | ⛅ teilweise bewölkt |
03, 04 | ☁ Wolken |
09, 10 | 🌧 Regen |
11 | ⛈ Gewitter |
13 | ❄ Schnee |
🔁 Programmablauf
Nach dem Einschalten:
START
│
▼
Serial 115200
│
▼
E-Paper initialisieren
│
▼
Display löschen
│
▼
Display-Speicher reservieren
│
▼
WLAN verbinden
│
▼
MQTT konfigurieren
│
▼
Forecast abrufen
│
▼
Display anzeigen
│
▼
Hauptschleife
🔄 Hauptschleife
Der ESP32 prüft kontinuierlich:
- Ist MQTT verbunden?
- Sind neue Sensordaten eingetroffen?
- Muss das Display aktualisiert werden?
- Sind 30 Minuten seit dem letzten Forecast vergangen?
┌──────────────┐
│ LOOP │
└──────┬───────┘
│
▼
MQTT verbunden?
/ \
NEIN JA
│ │
▼ ▼
reconnect client.loop()
│
▼
updateNeeded?
/ \
NEIN JA
│ │
│ ▼
│ Display
│ Update
│
└──────┬───┘
│
▼
30 Minuten vorbei?
/ \
NEIN JA
│ │
│ ▼
│ Forecast
│ abrufen
│
└──────┬───┘
│
▼
LOOP
🧰 Verwendete Software
Arduino Libraries
WiFi.h
WiFiClientSecure.h
PubSubClient.h
ArduinoJson.h
HTTPClient.h
time.h
Zusätzlich werden die Bibliotheken für das verwendete E-Paper-Display verwendet:
DEV_Config
EPD
GUI_Paint
fonts
🔧 Hardware
Die genaue Hardwarekonfiguration kann projektspezifisch ergänzt werden.
Grundkomponenten:
- ESP32
- 7,5″-E-Paper-Display
- LoRaWAN-Sensor 15-01
- LoRaWAN-Sensor 15-02
- LoRaWAN-Gateway
- WLAN
- Netzwerk-/Internetverbindung
📝 Installation
1. Repository herunterladen
Projekt in die Arduino-IDE bzw. Entwicklungsumgebung übernehmen.
2. Bibliotheken installieren
Benötigte Arduino-Bibliotheken installieren:
- PubSubClient
- ArduinoJson
- WiFi
- HTTPClient
sowie die zum E-Paper-Display gehörenden Bibliotheken.
3. ESP32 flashen
Das Programm auf den ESP32 übertragen.
4. Betrieb
Nach dem Start:
ESP32
│
├── WLAN verbinden
│
├── TTN MQTT verbinden
│
├── Forecast abrufen
│
└── Display initialisieren
Danach läuft die Station autonom.
📊 Technische Eckdaten
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Controller | ESP32 |
| Funknetz Sensoren | LoRaWAN |
| Frequenz | 868 MHz |
| Netzwerk | The Things Network |
| MQTT | MQTT/TLS |
| MQTT-Port | 8883 |
| Sensoren | 15-01 / 15-02 |
| Display | 7,5″ E-Paper |
| Wetterdienst | OpenWeatherMap |
| Forecast | 3 Tage |
| Forecast-Update | 30 Minuten |
| Belegt-Schwelle | 1,3 m |
| Serial Monitor | 115200 Baud |
🎯 Projektziel
Das Projekt zeigt, wie sich ein LoRaWAN-Sensornetz mit TTN und einer lokalen ESP32-Anzeige kombinieren lässt.
Die Architektur trennt dabei klar die einzelnen Ebenen:
┌──────────────────────────────┐
│ SENSOR-EBENE │
│ LoRaWAN-Sensoren │
└───────────────┬──────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────┐
│ NETZWERK-EBENE │
│ Gateway + LoRaWAN + TTN │
└───────────────┬──────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────┐
│ DATEN-EBENE │
│ MQTT + JSON │
└───────────────┬──────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────┐
│ ANWENDUNG │
│ ESP32 │
└───────────────┬──────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────┐
│ VISUALISIERUNG │
│ 7,5" E-Paper │
└──────────────────────────────┘
github
| Quellcode | Wetterstation.ino |
| Dateien | readme.md |
| Repository | https://github.com/joachim-reuter/TTN-Wetterstationrrrr |