ESP32 Landebahnanflugbefeuerungs-Desktop-Ornament

wuhanqing Posted on 2026-02-25 21 Views

ESP32 Landebahnanflugbefeuerungs-Desktop-Ornament

Dieses Projekt ist ein intelligentes Desktop-Ornament, das das Anflugbefeuerungssystem einer zivilen Flugplatzpiste mit hoher Genauigkeit nachbildet. Es kombiniert einen ESP32-Mikrocontroller mit einer fest verdrahteten zeitdiskreten Logikschaltung (NE556 + CD4017) und ermöglicht damit einerseits eine realitätsnahe visuelle Darstellung, während es andererseits METAR- und TAF-Wetterberichte von Flughäfen weltweit in Echtzeit abruft und anzeigt.

1. Zusammenfassung

Ziel dieses Projekts ist die Konzeption und Realisierung eines luftfahrtthematischen Zierobjekts, das dekorative und funktionale Aspekte miteinander verbindet. Auf Hardwareebene kommt eine zweilagige, gestapelte PCB-Struktur zum Einsatz; mittels eines NE556-Dualtimers und eines CD4017-Zählers wird ein hybrider Antrieb aus 20 Lauflichtern (sequenzielle „Hasenlichter“) und 48 dauerhaft leuchtenden Anflugbefeuerungsleuchten realisiert, wobei sowohl die Leuchtstärke als auch die Blitzfrequenz hardwareseitig einstellbar sind. Auf Softwareebene basiert das System auf MicroPython und nutzt die WiFi-Fähigkeiten des ESP32, um eine webbasierte Netzwerkkonfiguration sowie den Echtzeitabruf von Luftfahrtwetterdaten (METAR/TAF) zu ermöglichen. Das Projekt reproduziert nicht nur die visuelle Ästhetik des Pistenendes eines Flughafens, sondern fungiert zugleich als praktikables Wetterüberwachungsterminal für Luftfahrtenthusiasten.

2. Funktionale Merkmale

  • Simulierte Lichteffekte: Umfasst 20 lauflichtartige Führungsleuchten (Simulation sequenzieller Blitzlichter) sowie 48 dauerhaft leuchtende Anflugbefeuerungsleuchten.
  • Hardware-Interaktion:
    • Linker Drehknopf: Hauptnetzschalter und globale Helligkeitsregelung der Beleuchtung (PWM-Dimmung).
    • Rechter Drehknopf: Einstellung der Laufgeschwindigkeit der Lauflichter (Frequenzabstimmung).
    • Taster auf der Grundplatine: Ein-Tasten-Umschaltung in den WiFi-Konfigurationsmodus und den Modus zur Eingabe von ICAO-Codes.
  • Intelligente Informationsanzeige: Ein 0,96‑Zoll‑OLED-Display zeigt die Roh-METAR- und TAF-Berichte des ausgewählten Flughafens in einem Intervall von 5 Sekunden zyklisch an.
  • Komfortable Netzwerkkonfiguration: Unterstützt Access-Point-(AP-)basierte Konfiguration, mit integrierter Web-Konfigurationsseite und schnellem Zugriff über QR-Code.
  • Physisches Design: Zweilagige PCB-Struktur (100 mm × 80 mm), deren Vorderseite einen schematischen Flughafenlayoutplan und eine Tabelle der Funkfrequenzen (TWR, GND, APP usw.) integriert.

3. Projektabbildungen

3.1 Fotos des Realobjekts

3.2 Schaltpläne

3.2.1 Schaltplan der Grundplatine

3.2.2 Schaltplan der Oberplatine

3.3 2D‑Vorschau

3.3.1 2D‑Vorschau der Grundplatine

3.3.2 2D‑Vorschau der Oberplatine

3.4 Prinzipieller Schaltplan

4. Verwendung und Bedienungsanleitung

4.1 Erstinbetriebnahme

  1. Stromversorgung: Schließen Sie ein Type‑C‑Kabel an die Buchse in der linken oberen Ecke der Grundplatine an (empfohlene Versorgung: 5 V / 1 A oder höher).
  2. Einschalten: Drehen Sie den linken Drehknopf im Uhrzeigersinn; die rote Betriebsanzeige-LED leuchtet auf, und die Leuchtengruppe wechselt in den initialen Betriebszustand.
  3. Einstellung:
    • Drehen Sie den linken Drehknopf, um die globale Helligkeit aller Leuchten einzustellen.
    • Drehen Sie den rechten Drehknopf, um die Blink- und Laufgeschwindigkeit der Landebahnbefeuerungslichter zu verändern.

4.2 Netzwerkkonfiguration und Einstellungen

Wenn auf dem Display ein Verbindungsfehler angezeigt wird oder der Ziel-Flughafen geändert werden soll:

  1. In den Konfigurationsmodus wechseln: Halten Sie den Taster in der rechten unteren Ecke der Grundplatine gedrückt.
  2. Verbindung per QR-Code: Auf dem Display erscheinen ein QR-Code sowie die IP‑Adresse 192.168.4.1.
  3. Vorgehen: Verbinden Sie Ihr Smartphone mit dem WLAN METAR_Config und scannen Sie den QR‑Code bzw. geben Sie die IP‑Adresse manuell im Browser ein, um die Konfigurationsseite zu öffnen.
  4. Übermittlung: Geben Sie SSID und Passwort des WLANs sowie den vierstelligen ICAO-Code des Ziel-Flughafens ein (z. B. Shenyang Taoxian ZYTX) und klicken Sie auf Save. Das Gerät startet anschließend automatisch neu und beginnt mit dem Abruf der Wetterdaten.

5. Systementwurfsprinzipien

5.1 Entwurf der Hardware-Schaltung

Das System folgt einem Aufgabenteilungsprinzip, bei dem die Lichteffekte durch fest verdrahtete Logik gesteuert werden, während der Mikroprozessor für die Datenverarbeitung zuständig ist:

  • Kernlogik (NE556 + CD4017):
    • NE556 (Unit A): Erzeugt ein 1‑kHz‑Signal mit variabler Tastgradbreite, das als PWM-Dimm-Signal an die Anoden der LEDs angelegt wird.
    • NE556 (Unit B): Erzeugt ein Rechtecksignal mit variabler Frequenz im Bereich von 3–100 Hz, das als Taktsignal in den CD4017 eingespeist wird.
    • CD4017: Dekadenzähler, dessen Ausgänge Q0–Q9 über 10 MOSFET‑Treibergruppen 20 Lauflichter (jeweils paarweise parallel geschaltet) ansteuern.
  • Algorithmus zur visuellen Simulation: Die Gate-Anschlüsse (G) der Lauflichter werden durch die zeitliche Sequenz des CD4017 gesteuert, während die Anoden durch das PWM-Dimmsignal moduliert werden. Da die PWM‑Frequenz (1 kHz) deutlich höher ist als die Umschaltfrequenz der Sequenz, können Geschwindigkeits- und Helligkeitsregelung entkoppelt und zugleich überlagert realisiert werden.

5.2 Softwarearchitektur

  • Programmierumgebung: MicroPython (unter Verwendung von Thonny).
  • Datenerfassung: Mithilfe des Moduls urequests werden in regelmäßigen Abständen Anfragen an eine Luftfahrtwetter-API gesendet, um JSON‑Daten für den angegebenen ICAO‑Code zu beziehen und daraus die Zeichenketten rawOb (METAR) und rawTAF (TAF) zu extrahieren.
  • Anzeigesteuerung: Die OLED‑Anzeige wird über den Treiber ssd1306 angesteuert; ein Zeichenketten-Segmentierungsalgorithmus ermöglicht die zeilenweise Darstellung langer Meldungen und deren automatische, fortlaufende Umschaltung.

6. Hardware-Stückliste (BOM)

(Einzelheiten sind dem Dokument BOM_TOTAL_PCB.xlsx in diesem Ordner zu entnehmen.)

7. Hinweise zur Open-Source-Replikation

Um eine erfolgreiche Replikation dieses Projekts zu gewährleisten, sollten die folgenden technischen Details sorgfältig beachtet werden:

7.1 Hardware- und Lötanweisungen

  • EDA-Plattform: Das Projekt wurde mit JLCEDA (Professional Edition) entworfen. Die Quelldatei lautet ProPrj_Runway_Approach_Light_2026-02-24.epro2.
  • Pin-Ausrichtung: Es ist zwingend erforderlich, eine 38‑Pin‑Version des ESP32‑Entwicklungsboards (19 Pins pro Seite) zu verwenden, um Maßinkompatibilitäten zu vermeiden.
  • Lötverfahren: Bei den Logik-ICs auf der Grundplatine (NE556/CD4017) muss Lötbrückenbildung strikt verhindert werden. Die MOSFET‑Treibertransistoren sind äußerst temperaturempfindlich (maximale zulässige Temperatur ca. 170 °C) und müssen unbedingt zuletzt gelötet werden. Es wird die Verwendung von Niedrigtemperaturlot empfohlen; die Lötzeit pro Anschluss sollte 3 Sekunden nicht überschreiten, um eine übermäßige Wärmeakkumulation und damit einhergehende Durchschläge oder thermische Schäden der Bauteile zu vermeiden.

7.2 Toolchain und Ressourcenablage

Sämtliche für dieses Projekt erforderlichen Hilfsprogramme und Firmwaredateien sind im Verzeichnis tools abgelegt und wie folgt strukturiert:

tools/
├── 1-Thonny开发软件
├── 2-开发板CH340驱动
├── 3-ESP32-FLASH固件下载工具
└── 4-ESP32-MicroPython固件
    ├── esp32-20220618-v1.19.1.bin (推荐)
    ├── ESP32_GENERIC-20240602-v1.23.0.bin
    └── ESP32_GENERIC-20250415-v1.25.0.bin

Hinweis zur Firmware: Es stehen mehrere Firmwareversionen zur Verfügung, doch zur Sicherstellung von Kompatibilität und Stabilität wird die Verwendung der Version v1.19.1 nachdrücklich empfohlen.

7.3 Zentrale Entwicklungsschritte

  1. Hardware-Selbsttest: Nach Abschluss aller Lötarbeiten ist zunächst ein Einschalt- bzw. Funktionstest durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Logik der Lauflichter sowie der dauerhaft leuchtenden Gruppen ordnungsgemäß arbeitet.
  2. Treiberinstallation: Installieren Sie tools/2-开发板CH340驱动 auf dem PC, damit das Gerät korrekt erkannt wird.
  3. Firmware-Flashen: Nutzen Sie tools/3-ESP32-FLASH固件下载工具, um die empfohlene MicroPython-Firmware auf den ESP32 zu flashen.
  4. Umgebungskonfiguration: Installieren und starten Sie die IDE Thonny und wählen Sie ESP32 als Interpreter. Detaillierte Konfigurationsschritte können einschlägigen Video-Tutorials auf Bilibili (z. B. „普中 ESP32 教程“) entnommen werden.
  5. Codebereitstellung: Verbinden Sie sich über Thonny mit dem Entwicklungsboard, laden Sie die Projektquelle METAR.py hoch und führen Sie sie aus.
  6. Endmontage: Nachdem die korrekte Ausführung der Software bestätigt wurde, stecken Sie das ESP32‑Modul in die Buchsenleisten der Grundplatine, vervollständigen die mechanische Montage des Systems und führen einen abschließenden Funktionstest unter Spannung durch.

8. Referenzen und technische Normen

8.1 Internationale Standards und Branchenrichtlinien

  • Titel: WMO-No.306_Vol_I.1_Manual_on_Codes.pdf
    • Herausgeber: World Meteorological Organization (WMO)
    • Relevanz: Die in diesem Projekt implementierte METAR/TAF-Parsinglogik folgt strikt den Felddefinitionen und Kodierregeln der Formate FM 15 (METAR) und FM 51 (TAF), wie sie in diesem Handbuch festgelegt sind.
  • Titel: ICAO_Annex_14_Vol_I_Aerodrome_Design_and_Operations.pdf
    • Herausgeber: International Civil Aviation Organization (ICAO)
    • Relevanz: Die Anordnung der Leuchten sowie die zeitlichen Vorgaben für die sequenziellen Blitzlichter (Sequenced Flashing Lights) basieren auf den Vorgaben für Anflugbefeuerungssysteme in Kapitel 5.3.4 dieses Standards.

8.2 Wichtige Bauteildatenblätter

  • Titel: C7434190_555定时器-计时器NE556DR-MS规格书_WJ411490.pdf
    • Hersteller: MSKSEMI (美森科)
    • Relevanz: Dient als Grundlage für die Auslegung der dualen 555‑Zeitbasis-Schaltung und wird zur Erzeugung des PWM‑Dimm-Signals sowie der Taktimpulse für den CD4017 eingesetzt.
  • Titel: C7473153_计数器-分频器CD4017BM-MS规格书_WJ411742.pdf
    • Hersteller: MSKSEMI (美森科)
    • Relevanz: Wird zur Realisierung der Dekodier‑ und Zähllogik sowie des hardwareseitigen Shiftbetriebs für die 20‑kanalige, sequenzielle Landebahnbefeuerung verwendet.

9. Über den Autor und technischen Support

Sollten während der Replikation dieses Projekts technische Schwierigkeiten auftreten oder Verbesserungsvorschläge bestehen, können Sie mich über die folgenden Kanäle kontaktieren:

9.1 Autorinformationen

9.2 Technische Austauschgruppe

  • QQ-Gruppe: 1087242118 (bei der Beitrittsanfrage bitte „Anflugbefeuerung“ angeben)

9.3 Projekt-Demovideo

https://www.bilibili.com/video/BV1fFtZz1Eyx

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Last updated on 2026-02-25