Mittelwertbildung für die Windrichtung mit JavaScript

[SabineT]

Ich hatte vor 4 Jahren mal für FHEM ein Script geschrieben, um die von meiner Wetterstation (WH3080) gelieferte Windrichtung für die grafische Darstellung aufzubereiten. Das Problem ist ja, dass speziell bei schwachem Wind oder Windstille die Windfahne irgendwo hin zeigt (z.B. durch eine Thermikablösung oder Verwirbelung an umgebenden Hindernissen). Damals hatte ich folgende Grafik zur Verdeutlichung verwendet:

Man sieht bei der Windrichtung, dass die Originaldaten eher unbrauchbar sind.

Hier ein Beispiel, wie es jetzt bei mir ausschaut:

Die Grafiken werden bei mir ausserhalb von ioBroker aus den mit dem SQL-Adapter in MariaDB gespeicherten Daten erstellt.
Wenn der Wind zu schwach ist, wird die Windrichtung überhaupt unterdrückt.

Allerdings ist die Mittelwertbildung bei der Windrichtung etwas komplizierter, da man es hier mit Polarkoordinaten hat. D.h. man kann nicht einfach den Winkelwert mitteln. Z.b. wäre der arithmetische Mittelwert zw. NO (45°) und NW (315°) dann 180°, also S, tatsächlich ist er aber 0° (N). Daher muss man den Winkel in West-Ost Komponente und Nord-Süd Komponente zerlegen und getrennt den Mittelwert berechnen.
Die Grundidee für die Berechnung hab ich dabei PYWWS abgeschaut.

Jetzt hab ich mich endlich dazu aufgerafft, das Script in Javascript zu erstellen um es direkt in IoBroker verwenden zu können:

const logit = false;	// hier kann bei Bedarf die Logausgabe aktiviert werden

/*
	minage:
	Erst nach Ablauf dieser Zeit wird ein neuer Wert berücksichtigt.
	Ist quasi eine Art Entprellung.
*/
const minage = 0;

/*
	avtime:
	Maxmimaler Zeitraum, der gemittelt werden soll
*/
const avtime = 900;

/*
	decay:
	1 -> alle Werte werden gleich gewichtet
	0 -> nur der aktuelle Wert wird verwendet.
	in der Praxis wird man Werte so um 0.75 nehmen
*/
const decay = 0.75;

/*
	minspeed:
	da bei sehr geringer Windgeschwindigkeit die Windrichtung üblicherweise nicht
    eindeutig ist, kann mit minspeed ein Schwellwert angegeben werden
    Ist die (gewichtetete) mittlere Geschwindigkeit < minspeed wird undef zurück geliefert
*/
const minspeed = 0.5;


/*
	Maximalgröße des Arrays
	Der Wert hängt davon ab, in welchem Intervall die Wetterstation die Daten liefert.
	Richtwert: avtime / Intervall + 1;
*/
const maxentries = 40;

/*
	ID's der Quellobjekte für Windgeschwindigkeit und Richtung
*/
const wsid = "alias.0.Wetterstation.windspeed";			// Windgeschwindigkeit in m/s
const wdid = "alias.0.Wetterstation.winddir";				// Windrichtung (0 - 15)

/*
	Die folgenden 3 Objekte müssen manuell angelegt werden!
	hier wird dann jeweis die ID eingetragen:
*/
const historyid = "0_userdata.0.WindDirAverage.history";			// Speicher der History vom Typ Array
const wdavgid = "0_userdata.0.WindDirAverage.WindDirAvgDegree";	// Mittelwert der Windrichtung in Grad vom Typ Number
const wdavgtid = "0_userdata.0.WindDirAverage.WindDirAvgText";		// Mittelwert der Windrichtung als Text vom Typ String

var i = 0;
var age = 0;
var ltime = 0;
let oldhistory = getState(historyid).val;				// gespeicherten Buffer holen
var history = new Array();								// Datenbuffer initialisieren

if (decay > 1){		// darf nicht >1 sein
	decay= 1;
}
if (decay < 0){		// darf nicht <0 sein
	decay= 0;
}


if (oldhistory.length > 0) {							// wenn im gespeicherten Buffer Daten vorhaden sind
	history = oldhistory;								// diese in den Datenbuffer übernehmen
	ltime = history[history.length - 1].time;			// Zeitstempel des letzten Eintrages 
}

var num = history.length;

on({id: wsid, change: 'any'}, function(wsobj) {
	let ws = wsobj.state.val;							// WindSpeed(m/s)
	let ctime = (wsobj.state.ts / 1000).toFixed(0);		// Timestamp (s)
	let wd = getState(wdid).val * 22.5;					// WindDirection (Grad)
	let stime = history[0].time;						// Zeitpunkt des ältesten Wertes
	age = ctime - ltime;								// Zeitspanne seit dem vorhergehenden Wert

	if (age > minage) {									// erst nach Ablauf von minage einen neuen Wert verarbeiten (Entprellung)
		if (history.length >= maxentries) {				// falls der Datenbuffer voll ist,
			history.shift();							// den ältesten Eintrag entfernen
		}
		let wdr = (degToRad(wd)).toFixed(3);
		let newentry = {
            windspeed: ws,
            winddir: wdr,
            time: ctime
        };
		history.push(newentry);							// neue Daten dem Datenbuffer hinzufügen
		num = history.length;
		if (logit) {
			log(sprintf("num: %u ts: %u age: %u ws: %0.1f, wd: %u, wdr: %u", num, newentry.time, age, newentry.windspeed, wd, newentry.winddir));
		}
		ltime = ctime;
		var anz = 0;
		var sanz = 0;
		var sumsin = 0.0;
		var sumcos = 0.0;
		var sumspeed = 0.0;
		var wdavg = 0;
		var weight = 0;
		age = 0;
		maxage = 0;
		for (let i = 0; i < num; i++) {					// nun die Daten im Buffer verarbeiten
			ws = history[i].windspeed;
			wdr = history[i].winddir;
			ts = history[i].time;
			age = ctime - ts;
			if (age > avtime) {							// zu alte Einträge entfernen
				history.shift();
				i--;
				num--;
			} else {									// Werte aufsummieren, Windrichtung gewichtet über Geschwindigkeit, decay und age
				weight = ws * decay ** (age / avtime);
				if (age < (avtime / 4)) {				// für die Mittelwertsbildung der Geschwindigkeit wird nur ein 4tel von avtime genommen
					sumspeed += weight;
					sanz++;
				}
				sumsin += ((Math.sin(wdr)).toFixed(3) * weight);
				sumcos += ((Math.cos(wdr)).toFixed(3) * weight);
				anz++;
			}
		}
		setState(historyid, {							// Datenbuffer im Datenpunkt speichern
			val: history,
			ack: true
		});
		let avg = radToDeg(Math.atan2(sumsin, sumcos));
		wdavg = ((avg + 360) % 360).toFixed(0);			// Mittlere Windrichtung in Grad
		wdt = wd_to_text(wdavg);						// und als Text
		let wdstr = '-';
														// neuen Wert nur ausgeben, wenn die durchschnittliche Geschwindigkeit groß genug ist
														// und überhaupt ein Wert berechnet wurde
		if ((anz > 0) && (sanz > 0) && ((sumspeed / sanz) >= minspeed)) {
			setState(wdavgid, {
				val: Number(wdavg),
				ack: true
			});
			wdstr = wdt;
		}
		setState(wdavgtid, {
			val: wdstr,
			ack: true
		});
		if (logit) {
			log(sprintf("sanz: %u ws: %0.1f avgws: %0.1f anz: %u avg: %0.1f wdavg: %u wdt: '%s'", sanz, ws, sumspeed / sanz, anz, avg, wdavg, wdstr));
		}
	}
});

function degToRad(degrees) {
  return degrees * (Math.PI / 180);
};

function radToDeg(rad) {
  return rad / (Math.PI / 180);
};

function wd_to_text(wd) {
	let wdt = ['N', 'NNO', 'NO', 'ONO', 'O', 'OSO', 'SO', 'SSO', 'S', 'SSW', 'SW', 'WSW', 'W', 'WNW', 'NW', 'NNW', 'N'];
	let w = (wd / 22.5).toFixed(0);
	return wdt[w];
}

Ich hab versucht, möglichst viel in den Kommentaren zu erklären! Anpassen muss man auf jedenfall die beiden Variablen wsid und wdid (Zeilen 41 und 42), das sind die Objekte, die für die Berechnung herangezogen werden. Bei mir ist wdid ein Objekt, in das von der Wetterstation nur eine Zahl (0-15) geschrieben wird. In der Zeile 76 wird daraus dann die Windrichtung in ° berechnet. Je nach eigener Wetterstation ist hier also eventuell auch eine Anpassung nötig!

Die Ausgabe erfolgt dann in die in den Zeilen 48-50 definierten Objekte. Die Objekte müssen zuvor manuell angelegt werden! Ich hab aber mal meinen Objektbaum in eine JSON-Datei exportiert, die man in der Objektansicht oben mit dem Aufwärtspfeil importieren kann:
0_userdata.0.WindDirAverage.json

Ich muss noch erwähnen, dass ich keine professionelle Javascript Programmiererin bin, es kann also durchaus sein, dass man das eine oder andere noch eleganter lösen könnte. Aber das Script tut, was ich damit erreichen will.

Sabine