Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

 
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Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 26.03.2011 - 13:40 Uhr  ·  #1
Hi, ich habe mir das Anemometer hier aus dem Shop bestellt. Jetzt will ich dafür einen Datenlogger bauen.

Ich will jetzt nicht wissen, wie das geht. Damit hab ich genug Erfahrung. Vielmehr will ich das so aufbauen, dass man es leicht nachbauen kann und werde dafür auch eine Bauanleitung schreiben. Ich wollte Fragen, welche Funktionen ihr euch wünschen würdet. Ich habe hier im Forum schon des öfteren gelesen, dass vorhandene Datenlogger nicht unbedingt die gewünschten Funktionen haben.

Mein Plan sind bisher folgendermaßen aus:
* So weit wie irgendwie möglich nur einfach zu verarbeitende Standard Bauteile (kein SMD, Aufbau auf Lochraster)
* AVR Mikrocontroller
* Autonome Versorgung durch Solarzelle oder kleines Windrad mit eigenem Akku
* Aufzeichnung von Windgeschwindigkeit, eventuell Temperatur, Windrichtung und anderen Werten.
* Aufzeichnungsinterval ab 1 Sekunde
* Datenübertragung per Funk oder Kabel an den PC.
* PC Software, um Daten zur Weiterverarbeitung (Excel) zu speichern
* Uhrzeit entweder per DCF77 oder Uhrenbaustein.

Für die Windrichtung baue ich eine drehbare Flosse mit einem Sensor, mit dem man die Windrichtung in 16 Positionen erfassen kann. Ich denke, dass sollte ausreichend sein.

Gibt es noch irgendwelche Werte, die aufgezeichnet werden sollen? Vielleicht erzeugte Spannung und Strom von Windrädern? Drehzahl des Windrades? Irgendwelche Wünsche, was die Elektronik, Bedienung usw angeht?
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 26.03.2011 - 15:35 Uhr  ·  #2
Definitiv interessant ist die Aufzeichnung von Spannung und Strom (aus denen dann die Leistung errechnet werden kann). Grundsätzlich könnte man dann auch gleich einen PWM-Ausgang für Maximum Power Point Tracking vorsehen. Ich persönlich halte es für sinnvoller, die Daten auf SD-Karte (einfaches Protokoll) zu speichern. Dann muss nicht immer ein PC nebenher laufen, der ja schließlich auch Energie benötigt. Interessant ist unter Umständen noch die Temperatur des Generatorstators. Optional könnte man ein Display vorsehen, das die aktuellen (Maximal-)Werte anzeigt.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 26.03.2011 - 16:19 Uhr  ·  #3
Die Daten sollen schon im Logger gespeichert werden. Da es aber ein recht ordentlicher Rechenaufwand ist, Daten im FAT16 Format auf eine SD Karte zu speichern, will ich das aber vermeiden. Man könnte schon eine SD Karte verwenden, weil die einfach zu bekommen sind und viel Speicher für wenig Geld bieten, aber ich würde die Daten im RAW Format speichern. Damit wäre es am PC nicht lesbar. Ob das letztendlich so kommt oder ob vielleicht doch genug Ressourcen dafür vorhanden sind muss ich erstmal abwarten. Generell würde eine SD Karte etwas Aufwand bedeuten, weil die Slots dafür schlecht zu bekommen sind und meist nur in SMD verfügbar sind. Ich suche noch nach einer Alternative.

Außerdem finde ich es umständlich, an die Daten zu kommen, wenn der Logger an einem nicht ganz so zugänglichen Ort angebracht ist. Wenn man das Windrad und das Anemometer auf einem 10m Mast hat ist es wenig sinnvoll, den Logger auf Bodenhöhe anzubringen. Die langen Leitungen zu den Signalquellen wären recht störanfällig.

Vorgesehen habe ich, dass die Daten für mehrere Tage im Logger gespeichert werden können und dann bei Bedarf über Funk/Kabel auf den PC übertragen werden können, ohne dass man an den Logger muss.

Ein optionales Display wäre ein netter Luxus. Mal schauen, ob dafür Platz am Controller bleibt. Eventuell wäre ein Display denkbar, das an einer Schnittstelle mit langem Kabel hängen kann. Dann könnte man den Logger oben am Mast befestigen und das Display an einer gut erreichbaren Stelle anbringen.


Aber was meinst du mit dem "Maximum Power Point Tracking"? Wofür wird da ein PWM Ausgang benötigt?
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 26.03.2011 - 17:25 Uhr  ·  #4
Hab jetzt mal ein bissel was zum Thema MPPT gelesen. Aber den Sinn hab ich noch nicht ganz verstanden. Der Step Up Converter ist klar, aber was genau tut der MPPT mit dem Step Up Converter? Ändert der die Ausgangsspannung, um den Ladestrom zu verringern/zu vergrößern und damit die Last am Generator an die aktuelle Belastung anzupassen?

Ich hab dazu ein Papier zu einer Diplomarbeit mit einem Savonius gefunden. Da ist auch die Rede davon, neben Generatorspannung/Strom auch Ausgangspannung/Strom des Converters zu messen. Ich denke, dass würde die Anforderungen an einen Datenlogger doch etwas sprengen. Das würde ich in zwei getrennte Module packen.

Die Controller, den ich vorgesehen habe, hat maximal 40 IO (ATmega32). Davon 8 analoge Eingänge. Je nach Messmethode braucht man pro analogem Signal ein bis zwei analoge Eingänge. Für die Windrichtung brauche ich, wenn ich keinen zusätzlichen Aufwand betreiben will, 4 Eingänge. Drehzahl von Anemometer und Rotor jeweils ein Eingang. Für Schnittstelle, Datenspeicher, ein paar Bedienknöpfe und Status LEDs gehen auch einige IO drauf. Die 40 IO sind da schnell belegt.

Außerdem soll der Controller nur mit 3,3V laufen und wird vermutlich nur mit 7,37MHz arbeiten. Zum einen, um Strom zu sparen und zum anderen, um den Anschluss einer SD Karte oder ähnlichen Datenspeicher zu vereinfachen. Diese Speicher arbeiten meist mit 3,3V. Das reduziert die maximal mögliche Rechenleistung deutlich. Berechungen für MPPT, FAT16 und der ganze andere Krempel könnten dann sowohl den verfügbaren Speicher als auch die Rechenleistung etwas überreizen.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 26.03.2011 - 19:21 Uhr  ·  #5
Moin burli,

Ich bin auch neu auf dem Gebiet und werde mir bald ein MPPT bauen. Bei großen Windrädern wird ein Step-up und bei kleinen ein Step-Down Wandler geraten. Der MPPT passt die vom Generator geforderte Leistung and die Leistung des Repellers an, so, dass der Generator den Repeller nicht abwürgen (Stalling) kann.
Normalerweise wird der Generator so ausgelegt, dass er etwas unter der Leistung des Repellers ist, so kommt dein Windrad nie in's Stalling, das ist aber nicht das Maximum.

Mehr Infos:
http://www.kleinwindanlagen.de…#last_post
http://www.kleinwindanlagen.de…#last_post
http://www.kleinwindanlagen.de…#real19074

Der MPPT versucht halt das Maximum rauszuholen :-)

Achja, meiner Meinung nach ist das PWM ein Teil des MPPT. Das PWM ist der Taktgeber für den Schalter im Step-Up oder Step-Down Wandler.

Gruß

Andreas
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 26.03.2011 - 19:57 Uhr  ·  #6
Zitat geschrieben von anpoky


Achja, meiner Meinung nach ist das PWM ein Teil des MPPT. Das PWM ist der Taktgeber für den Schalter im Step-Up oder Step-Down Wandler.


Nein, mit dem PWM dürfte wohl kaum der Wandler geregelt werden. Das ist eher ein externes Stellelement
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 26.03.2011 - 20:07 Uhr  ·  #7
Ok, also der MPPT soll versuchen, so viel Energie wie möglich aus dem Generator zu holen und gleichzeitig verhindern, dass der Generator den Rotor abwürgt.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 27.03.2011 - 08:46 Uhr  ·  #8
Prinzipiel läuft MPPT folgendermaßen ab:

1. Messe aktuelle Leistung (Spannung und Strom)
2. Vergrößere PWM-Frequenz
3. Messe aktuelle Leistung (Spannung und Strom) erneut
4. Verkleinere PWM-Frequenz
5. Messe aktuelle Leistung (Spannung und Strom) erneut
6. Setze PWM-Frequenz auf den Wert, der die höchste Leistung erbracht hat

Es gibt natürlich ausgefeiltere Algorithmen, aber das ist das Prinzip. Interessant ist übrigens nicht nur der untere Leistungsbereich mit Step-up-Wandler sondern auch der obere mit Step-Down-Wandler.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 27.03.2011 - 09:32 Uhr  ·  #9
Ok, dass Prinzip ist mir jetzt einigermaßen klar. Ich denke aber weiterhin, dass es in einem Datenlogger nichts verloren hat. Was man machen könnte wären zwei Module, die aber zusammenarbeiten. Dabei übernimmt der Datenlogger aber keine aktive Rolle sondern liefert dem MPPT nur die aktuellen Werte. Da so ein Rotor ein relativ träges System ist kommt es bei der Datenübermittlung auf ein paar ms Verzögerung nicht an.

Der Datenlogger soll also nur der Datenerfassung und Datenspeicherung dienen. Die Auswertung oder die Nutzung der Daten ist nicht seine Aufgabe und würde, wie erwähnt, die geplante Hardwareplatform etwas überfordern.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 27.03.2011 - 15:01 Uhr  ·  #10
So, ich habe mir jetzt nochmal ein paar Gedanken gemacht. Ich werde einen ATmega32 als Controller vorsehen. Der soll mit 7,3728MHz bei 3,3V laufen. Als Datenspeicher werde ich SD Karten vorsehen und sehr wahrscheinlich doch normale PC lesbare Textfiles abspeichern. Für jeden Tag werde ich eine neue Datei erstellen mit dem Datum als Dateinamen.

Jetzt nochmal zu den Datenwerten, die erfasst werden sollen. Bis jetzt habe ich:
* Windgeschwindigkeit
* Rotordrehzahl
* Windrichtung
* Spannung und Strom des Generators.

Denkbar wären noch weitere Werte:
* Temperatur
* Luftfeuchte
* Luftdruck
* ???

Insbesondere Luftfeuchte und Luftdruck würden aber teilweise recht teure Sensoren erfordern.

Ich habe jetzt aber noch ein paar Überlegungen, wo ihr mir helfen müsstet, weil ich mich bei den Kleinwindanlagen noch nicht so auskenne. Die Rotoren und/oder Anemometer sitzen üblicherweise an unzugänglichen Stellen (Mast). Der Datenlogger müsste, um Störungen zu vermeiden, möglichst nahe an der Datenquelle liegen, also möglichst oben auf dem Mast. Um den Strom und die Spannung zu ermitteln müsste man die Leitungen nach dem Gleichrichter in den Datenlogger führen. Montiert ihr den Gleichrichter in der Nähe des Generators oder führt ihr die Leitungen aus dem Generator bis zum Laderegler und der Batterie? Letzteres wäre für den Datenlogger ein Problem.

Theoretisch könnte man den Gleichrichter auch gleich in den Datenlogger integrieren, aber da es verschiedene Generatoren und verschiedene Anforderungen gibt halte ich das nicht für sinnvoll

Wichtig wäre auch zu wissen, welche Signale bzw welche Sensoren zur Messung der Drehzahl von Anemometer und Rotor so zum Einsatz kommen. Die einfachen Varianten wären Reed Relais oder einfache optische Sensoren, die einen Impuls pro Umdrehung liefern oder, wie bei dem Anemometer aus dem Shop, vier Impulse. Gibt es noch andere Varianten?
...
 
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 07.04.2011 - 16:25 Uhr  ·  #11
Hey,

also das mit der Spannungs- und Strommessung sollte leicht gehen, da man meistens (wie auch bei meiner WKA) die 3 Leitungen des Generators wegführt und dann vor den Akkus im Laderegler gleichrichtet.

Mich interessiert dieses Projekt übrigens spannend, da ich selbst auch viel mit Elektronik mache .... :D

Wie willst du eig. den µC programmieren? Hast du dafür ein Board oder machst du es einfacher? Welches programm nützt du dafür?

Also für das Anemometer würde ich ein Reed Relais nehmen und für die Drehzahlmessung des Rotors würde ich einen optischen Sensor nehmen (wegen der hohen Drehzahl).
Die Windrichtung würde ich mit einem Potentiometer ohne Anschlag realitieren und dann sagen, dass z.B. Norden 0 Ohm, Osten 5k Ohm, süden 10 kOhm und Westen 15k Ohm ist. Ich würde dad Potentiometer auch nicht zu groß gestalten, da es sonst Probleme mit der Luftfeuchtigkeit und somit zu Messfehlern konmmt.

Vielleicht könnte man ja auch noch die Generatortemperatur messen, damit man weiß wie stark er belastet ist ...


Ich habe mir auch schon einen solchen Datenlogger geplant, bin bisher nicht dazu gekommen, ihn zu verwirklichen :-/

MFG
Jochen
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 07.04.2011 - 18:51 Uhr  ·  #12
Ich hab das Anemometer leider erst vorgestern bekommen. Deshalb hab ich noch nicht so richtig angefangen. Ich habe nur ein einfaches Programm für den Controller geschrieben, das mir die Frequenz im Sekundentakt an den PC sendet. Ich muss da noch ein wenig experimentieren.

Ich verwende wie gesagt AVR Controller. Ich habe dafür ein extra Programmiergerät. Man kann aber auch einen Bootloader verwenden, dann braucht man nur eine serielle Schnittstelle oder USB.

Ich muss mich da mal vortasten. Die erste Version wird wohl erstmal aus zwei Controllern und einer RS485 Schnittstelle bestehen und nur die Windgeschwindigkeit messen. Das mit den Potis kann man denke ich vergessen. Zum einen fällt mir im Moment keine Bezugsquelle für solche Potis ein und zum anderen ist der mechanische Widerstand vermutlich zu groß.

Mal schauen, wie es weitergeht.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 14.04.2011 - 21:34 Uhr  ·  #13
Hallo,

ich finde das Projekt hochinteressant, da ich auch dies messen und loggen möchte:
* Windgeschwindigkeit
* Rotordrehzahl
* Windrichtung
* Spannung und Strom des Generators
* Statortemperatur
* Wetterdaten: Temperator und Luftdruck

Ich selbst habe einen Datenlogger aus USA der schon Windgeschwindigkeit und -Richtung loggt. Eventuell kann man dasselbe System auch nachbauen und erweitern ?
Ich selbst verstehe von Elektronik so gut wi nix, aber vielleicht kan nich mal aufschrauben und abfotografieren, das kann eventuell helfen ?

Beste Grüße,
Daniel
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 15.04.2011 - 08:58 Uhr  ·  #14
Zitat geschrieben von danielCV

Ich selbst habe einen Datenlogger aus USA der schon Windgeschwindigkeit und -Richtung loggt. Eventuell kann man dasselbe System auch nachbauen und erweitern ?
Ich selbst verstehe von Elektronik so gut wi nix, aber vielleicht kan nich mal aufschrauben und abfotografieren, das kann eventuell helfen ?


Ein Foto von außen wäre mal ganz interessant. Das Innenleben bringt wenig.

Am Wochenende will ich mal den ersten Praxisversuch mit dem ersten Prototypen machen. Alles noch sehr einfach und provisorisch.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 16.04.2011 - 15:10 Uhr  ·  #15
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Gepostet: 17.04.2011 - 21:41 Uhr  ·  #16
Wieso nimmst du so einen alten Atmega? Ich würde den Atmega644V empfehlen, der hat viel Speicher (SRAM, EEPROM, Flash), viel Peripherie (zB. PinChange-Interrupte, 6 PWM-Kanäle, 3 Timer) aber vor allem benötigt er viel weniger Strom!

Ich würde dir zudem empfehlen, zusätzliche EEPROMs in die Schaltung einzubauen, wie zB. 4 mal 24C-Serie. Dafür benötigt man nur 2 Pins am Controller, aber man kann massig Daten speichern, die der User dann mit einem Rechner herunterladen kann.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 18.04.2011 - 09:51 Uhr  ·  #17
Zitat geschrieben von danielCV

Von Aussen ?? Black Box halt... das soll mehr bringen als die verwendeten ICs zu erkennen ?
Derzeit liebäugele ich mit diesem hier: http://www.windlogger.co.uk/ Ist aber recht teuer :(

Bin gespannt auf deinen ersten Praxisversuch !


Die verwendeten ICs interessieren mich eigentlich weniger. Ich hab beruflich mit dem Krempel zu tun und weiß schon, welche Teile ich verwenden muss. Ich muss nur erstmal wissen, wofür. Leider wurde ich aus privaten Gründen etwas eingebremst. Deshalb bin ich noch nicht viel weiter.

@Maik: Ich kenne die AVR. Ich fange erstmal mit einem Mega8 an. Sollte der nicht reichen kann ich alles ohne Probleme auf einen größeren Controller portieren. Den ATmega644V gibt es übrigens nicht mehr bzw höchstens noch Restposten. Der Nachfolger wäre der 644P oder 644PA.

Mit EEPROMs kommt man nicht weit. Das größte hat 128kByte. Will man im Sekundentakt verschiedene Werte speichern sind selbst vier davon nach kurzer Zeit voll. Ich rechne pro Datensatz mit mindestens 10-15 Bytes. Bei 10 Bytes pro Sekunde macht das am Tag fast 850kByte. Selbst mit einem 32MBit DataFlash käme man keine 5 Tage weit. Deshalb will ich mir da noch was einfallen lassen.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 31.05.2011 - 16:11 Uhr  ·  #18
hallo zusammen,
ich bin seit einiger zeit auch dabei einen logger zu basteln.
anfangs hab ich eine sd-karte dafür benutzt, qaber jetzt schwebt mir eine lösung ähnlich "solarlog" vor.
dafür suche ich aber noch einen ftp-client für den avr.
falls jemand was dazu einfällt bitte melden.

grüsse joachim
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 13.07.2011 - 11:38 Uhr  ·  #19
Hi, ich möchte mich mal wieder zu Wort melden. Aufgrund einiger anderer Dinge musste ich den Datenlogger erstmal wieder beiseite legen. Aber im Moment bin ich mal wieder dran. Zur Zeit kümmere ich mich um eine vernünftige Zeitbasis. Ich hatte ursprünglich vor, eine reine Quarzuhr zu verwenden, aber die Genauigkeit reicht mir nicht. Dazu kommt noch, dass die Genauigkeit bei den Temperaturschwankungen draußen noch weiter nachlässt.

Deshalb arbeite ich gerade an einer Kombination aus Quarzuhr und DCF77 Empfänger. Die Kombination hat verschiedene Gründe. Zum einen ist der DCF77 Empfang nicht immer gewährleistet. Je nach Region und Wetter kann der Empfang mal so schlecht werden, dass kein Signal mehr ankommt oder das Signal kann aus anderen Gründen ausbleiben. Dann muss eine normale Uhr ja weiterlaufen. Außerdem will ich den Empfänger immer nur stündlich oder sogar täglich einschalten, da der Datenlogger ja Batteriebetrieben werden soll und die Antenne kostet halt Strom. Anstatt also permanent das DCF77 Signal zu empfangen nutze ich es nur, um die Quarzuhr in regelmäßigen Abständen zu korrigieren.

@joachim: Ich weiß nicht, ob ich schonmal einen FTP Client gesehen habe. Aber es gibt afaik einen FTP Server. Ich bleibe bei meinem Projekt aber bei der SD Karte, weil der Datenlogger autonom laufen soll und ich nicht permanent einen Rechner aktiv haben will. Ich überlege nur, wie ich die Daten aus dem Datenlogger holen kann. In der ersten Instanz wird es wohl ein RS485 Kabel zu einem PC.
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Re: Datenlogger zum selbst bauen für Windkraftanlagen Bastler

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Gepostet: 13.07.2011 - 12:46 Uhr  ·  #20
Meiner Meinung nach wäre ein Datenlogger auf SD-Kartenbasis ideal. Je nach Anwendungsfall muss der halt autonom laufen können (z.B. Ferienhütte im Wald). Durch die SD-Karte hätte man maximale Freiheit bei der Menge der gespeicherten Daten. Der kurzen "Daten-Ausfall" beim Wechsel der Karte kann, denke ich, ignoriert werden.

Man kann natürlich auch über ne Schnittstelle für USB-Sticks nachdenken, das Interface ist aber deutlich komplizierter.

Damit alles möglichst einfach zu benutzen ist, sollten die Daten in einer Textdatei abgelegt werden. Man braucht also ein Dateisystem.
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