Smart Coaster

Autor: Michael Menke

Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

Smart Coaster soll ein Bierdeckel sein, welcher Informationen über das darüber befindliche Getränk visuell an den Nutzer weitergibt.

Eine wichtige Information über ein Getränk ist die Temperatur, sowohl bei heißen wie auch bei kalten Getränken. Diese soll mit Hilfe einer mehr farbigen Leuchtdiode dem Nutzer angezeigt werden. Das System soll relativ kompakt sein und einen intern verbauten Akku haben.

Das Projekt wurde am Anfang als Teamarbeit von zwei Studenten bearbeitet, aber einer der Studenten hat das Projekt Anfang Dezember 2020 verlassen. Bis zu diesem Zeitpunkt hat der Student, welcher das Projekt verlassen hat, keine Aufwände für das Projekt betrieben.

Der Smart Coaster wurde von Michael Menke alleine entwickelt.

Anforderungen

Temperaturen von 0°C bis 70°C erkennen
Mehrfarbige LEDs aufleuchten lassen
Ein- und Ausschalter besitzen
Stromversorgung über Akku
Aufladen des Akkus über USB
Spritzwassergeschützt

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

SVN-Link

Anzahl	Name	Link	Anmerkung	Vorhanden
1	ESP32 D1 Mini	Link	Kompaktes Board mit Modulunterstützung	Ja
1	LiPo Batterie	Link	2000 mAh LiPo Akku mit integrierter Schutzschaltung	Ja
1	Batterie Shield	Link	D1 Mini Modul für LiPo Akkus (Stromversorgung des Systems und Laden des Akkus)	Ja
1	Temperatur Sensor LM35CAZ	Link	TO-92-3 Gehäuse und aus früheren privaten Projekten bekannt	Ja
4	Leuchtdiode WS2812B	Link	Strip mit 30 Led/m und aus früheren privaten Projekten bekannt	Ja
1	Schiebschalter	Link	Kompakter Schalter mit zwei Positionen	Ja
1	3D Gehäuse	Link	Wird von der Hochschule gedruckt und in SolidWorks entworfen. Besteht aus zwei Teilen, Boden und Gehäuse	Ja
2	Gewindeeinsatz M3x5,7	Link	Für die Verbindung von Boden und Gehäuse	Ja
2	Schraube M3x8	Link	Andere M3 Schrauben können auch verwendet werden	Ja

Umsetzung (HW/SW)

In diesem Abschnitt wird die Umsetzung der Hardware und Software beschrieben. Dabei wird zuerst die Hardware beschrieben und dann die Software.

Hardware

Die Hardware besteht aus verschiedenen Bauteilen, die elektrischen Bauteile und die Mechanische Bauteile. Die elektrischen Bauteile werden mit Leitungen und Steckverbindungen mit einander Verbunden. Die mechanischen Bauteile werden mit Gewindeeinsätzen und Schrauben mit einander Verbunden.

Stückliste

Die Stückliste wurde schon in der Komponentenspezifikation aufgeführt.

Verdrahtung

Für die Verdrahtung wurde 0,5 mm² Leitungen verwendet mit drei unterschiedlichen Farben. In der folgenden Tabelle werden die Farben und ihre Funktion dargestellt.

Farbe	Bedeutung
Rot	5 V
Weiß	Ground
Grün	Signal(Temperatur Sensor)/Daten (Leuchtdioden)

In der folgenden Abbildung 4 sieht man eine Skizze der Verdrahtung.

In der folgenden Abbildung 5 sieht man die Verdrahtung. In der Abbildung 5 fehlt der Schalter zwischen Mikrocontroller und Akku, dieser wurde nachträglich noch eingebaut.

Gehäuse

Das Gehäuse besteht aus zwei Teilen, einem Boden und dem Gehäuse. In dem 3D gedruckten Gehäuse werden zwei Gewindeeinsätze eingearbeitet. Dieses geschieht am leichtesten mit einem Lötkolben.

Die folgenden Abbildungen zeigen die 3D Modelle und Zeichnungen des Bodens und des Gehäuses.

Die folgenden Abbildungen zeigen das nach diesem Modell gedruckten Gehäuses.

Zusammenbau

Bei dem Zusammenbau werden die elektrischen und mechanischen Teile zusammengebracht.

Einsetzen der Gewindeeinsätze. Die Einsätze werden in den dafür vorgesehenen Löcher platziert und dann mit einem Lötkolben in den Kunststoff gedrückt (siehe Abbildung 12).

Die Leuchtdioden werden in die Aussparungen in den vier Seiten angebracht und mit Heißkleber befestigt (siehe Abbildung 13 und 14).

Der Temperatur Sensor wird in die Aussparung an der oberen Seite befestigt und mit Silikon befestigt (siehe Abbildung 15).

Für zusätzliche Stabilität sollte noch ein Punkt Heißkleber über dem Silikon angebracht werden. Das Silikon soll auch das Gehäuse gegen Wasser an der ober Seite abdichten.

Der Akku und Mikrocontroller werden mit Heißkleber im Gehäuse befestigt (siehe Abbildung 16).

Abschließend wird der Boden mit zwei Schrauben an dem Gehäuse befestigt (siehe Abbildung 17).

Software

Die Software für dieses Projekt wurde mit der Arduino IDE erstellt.

Einrichtung Arduino IDE

Bei der Einrichtung der Arduino IDE muss man den ESP32 und Libarys einbinden.

Arduino IDE für ESP32 vorbereiten

Man muss die Arduino IDE mit den Boardverwalter-URL von dem ESP32 erweitern. Dafür muss man unter Datei -> Voreinstellungen das Feld "Zusätzliche Boardverwalter-URLs" mit diesem Link erweitern. (Siehe Abbildung 18 und 19)

 https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json

Abb. 19: Boardverwalter-URL in den Voreinstellungen eintragen

Weitere Informationen zu den Boardverwalter-URL gibt es hier.

Benötigte Libarys in die Arduino IDE einbinden

Um eine Libary in die Arudino IDE einzubinden geht man in das Menü "Bibliotheken verwalten..." unter Sketch -> Bibliothek einbinden -> Bibliotheken verwalten... (Siehe Abb. 20)

Nun öffnet sich der "Bibliotheksverwalter" mit dem man die Bibliotheken installieren kann. Für dieses Projekt wird FastLED 3.3.3 und NeoPixelBus 2.6.0 benötigt. (Siehe Abb. 21)

Porgrammablaufsplan

Das Programm besteht aus zwei Hauptfunktionen. Dieser Aufbau ist Typisch für Embedded Lösungen.

Die erste Funktion ist die Initialisierung des Systems und die Zweite Funktion die Endlosschleife Loop.

In dem Setup wird die Serielle Schnittstelle, die Leuchtdioden und der Deepsleep initialisiert.

Im Loop wird die Spannung des Temperatur Sensors gemessen, dann in Grad Celsius umgewandelt und dann die Leuchtdioden angesteuert. Danach verfällt der Mikrocontroller in einen Schlafzustand.

Der Programmablauf hat sich zum Systementwurf nicht verändert und wurde so in dem Quellcode umgesetzt.

Quellcode

Der Quellcode, welcher auf dem Mikrocontroller ausgeführt wird mit Erläuterungen.

Der Quellcode befindet sich im SVN.

Header

 /*
 Datei:  Smart_Coaster.ino
 Autor:  Michael Menke 
         michael.menke@stud.hshl.de
 Erstellung:       17.10.2020
 Letzte Änderung:  06.12.2020
 Implementation:   Arduino
 Funktion:
   Ein Analoger Temperatur Sensor wird mit hilfe des ADCs eingelesen.
   Dieser Wert wird dann in eine Temperatur in Grad Celsius umgewandelt.
   Dieser Wert entscheidet, dann in welcher Farbe die LEDs leuchten.
 Hardware:
   Mikrocontroller:    ESP32
   Temperatur Sensor:  LM35CAZ
   Leuchtdiode:        WS2812b
 */

Preprocessor Defines

Mit diesen Defines kann man entscheiden, ob die Serielle Debug Schnittstelle eingeschaltet wird, welche LED Libary man verwendet und ob der Deepsleep verwendet wird.

Wenn DEBUG definiert ist wird die Serielle Schnittstelle mit einer Baudrate von 9600 initialisiert und bei jedem Loop wird eine Debug Nachricht ausgegeben.

Wenn FASTLED definiert ist wird die FastLED Libary zur Steuerung der Leuchtdioden verwenden. Falls dieses nicht definiert ist wird die NeoPixelBus Libary verwendet.

Wenn SLEEP definiert ist wird die Deepsleep Funktion des Mikrocontrollers verwendet.

 /* PREPROCESSOR DEFINES */
 #define DEBUG   /* Serielle Ausgabe Baud 115200 */
 #define FASTLED /* FastLED Lib verwenden -> Alternative NeoPixelBus Lib*/
 #define SLEEP /* Deepsleep aktivieren */

Includes

Einbinden der Libarys für die Leuchtdioden Steuerung. Weitere Informationen zu den Libarys findet man hier:

FastLED

NeoPixelBus

 /* Includes */
 #ifdef FASTLED
 #include "FastLED.h"
 #else
 #include "NeoPixelBrightnessBus.h"
 #endif

Variablen

Hier werden die Variablen angelegt. Dabei wurden Structs verwendet, damit die Software übersichtlich bleibt.

Der erste Struct wurde für die Temperatur angelegt und enthält den ADC Wert, die Temperatur in Celsius, den Pin an dem der Sensor angeschlossen ist und den Maximalen ADC Wert.

 /* Temperatur */
 struct TEMP {
   uint16_t AdcValue = 0;      /* ADC Wert 0 bis 4096 */
   float    Celsius  = 0;      /* Temperatur in °C */
   const uint8_t Pin = 4;      /* Pin an dem der Temperatur Sensor angeschlossen ist */
   const float   Max = 4096.0; /* Maxmium des ADC (12bit Auflösung) */
 } Temp;

Der nächste Struct ist für die LED Steuerung. Wenn die FastLED Libary verwendet wird kann kein Struct verwendet werden, da die Libary mit diesem Typen nicht umgehen kann. Bei der NeoPixelBus Libary kann ein Struct verwendet werden. Dieser Struckt enthält die Anzahl der Leuchtdioden und den Pin an dem die Leuchtdioden angeschlossen sind.

 /* Leuchtdioden */
 #ifdef FASTLED
 const uint8_t Number = 4;   /* Anzahl der Leuchtdioden */
 const uint8_t Pin    = 16;  /* Pin an dem der Leuchtdiodenstreifen angeschlossen ist */
 CRGB leds[Number];  /* Wird von der FastLED Libary benötigt */
 #else
 struct LED {
   const uint8_t Number = 4;   /* Anzahl der Leuchtdioden */
   const uint8_t Pin    = 16;  /* Pin an dem der Leuchtdiodenstreifen angeschlossen ist */
 } Led;
 NeoPixelBrightnessBus<NeoRgbFeature, Neo800KbpsMethod> strip(Led.Number, Led.Pin); /* Wird von der NeoPixelBus Libary benötigt */
 RgbColor red(0, 255, 0);        /* Sind GRB LEDs */
 RgbColor violet(130, 238, 238);
 RgbColor blue(0, 0, 255);
 #endif

Die nächsten Variable ist eine Konstante für die Baudrate der Seriellen Schnittstelle.

 /* Serielle Schnittstelle */
 #ifdef DEBUG
 const uint16_t BaudRate = 115200; /* Baudrate der Seriellen Schnittstelle */
 #endif

Deepsleep/Tiefschlaf länge des Mikrocontrollers wird als Konstante festgelegt.

 /* Deepsleep */
 const uint32_t Delay      = 1000000;  /* Zeit zwischen Deepsleep Wakeup in us */

Funktionen

Hier wurden die Funktionen definiert.

 /* Funktionen */
 float Calc_Temp(uint16_t Raw, float Max); /* Berechnung der Temperatur aus dem ADC Wert */
 void Set_LED(uint8_t Percent, uint8_t Threshold0, uint8_t Threshold1, uint8_t Brightness); /* Farbe der Leuchtdioden einstellen */

Setup

Die Setup Funktion, welche den Mikrocontroller initialisiert.

 /*
 Wird bei start des Mikrocontrollers einmal ausgeführt und 
 initialisiert die Leuchtdioden. Im Debug fall wird auch 
 noch die Serielle Schnittstelle initialisiert.
 Input:  -
 Output: -
 */
 void setup()
 {
   /* Seriale Schnittstelle initialisieren */
   #ifdef DEBUG
   Serial.begin(BaudRate); /* Start mit BaudRate */
   #endif
   /* Leuchtdiode initialisieren */
   #ifdef FASTLED
   FastLED.addLeds<WS2812B, Pin, GRB>(leds, Number); /* Leuchtdioden Streifen initialisieren */
   FastLED.setBrightness(Brightness);                /* Helligkeit setzen */
   FastLED.show();                                   /* Einstellungen an Leuchtdioden schicken */
   #else
   strip.Begin();                    /* Leuchtdioden Streifen initialisieren */
   strip.SetBrightness(Brightness);  /* Helligkeit setzen */
   strip.Show();                     /* Einstellungen an Leuchtdioden schicken */
   #endif
   /* Deepsleep initialisieren */
   #ifdef SLEEP
   esp_sleep_enable_timer_wakeup(Delay);   /* Aktiviert den Deepsleep Wakeup Timer */
   #endif
 }

Loop / Endlosschleife

Der Loop/Endlosschleife, welche auf dem Mikrocontroller ausgeführt wird.

 /*
 Wird nach setup() ausgeführt in form einer Endlosschleife.
 Es wird zyklisch die Spannung am ADC Eingang gemessen und 
 in eine Temperatur in Grad Celsius umgewandlet. Danach 
 werden die Leuchtdioden in den passenden Farben eingestellt.
 Falls Debug aktiviert ist werden noch über die serielle
 Schnittstelle der ADC Wert und die Temperatur ausgegeben.
 Nach diesem Vorgang wartet der Mikrocontroller bis zur 
 nächsten Messung.
 Input:  -
 Output: -
 */
 void loop()
 {
   /* Temperaturmessung */
   Temp.AdcValue = analogRead(Temp.Pin);               /* Spannung in ADC Wert umwandeln */
   Temp.Celsius = Calc_Temp(Temp.AdcValue, Temp.Max);  /* ADC Wert in Temperatur umwandeln */
   /* Leuchtdiode einstellen */
   Set_LED(Temp.Celsius, 15, 45, Brightness);  /* Leuchtdioden ansteuern */
   /* Seriale Übertragung (Debug) */
   #ifdef DEBUG
   Serial.print(Temp.AdcValue);  /* ADC Wert übertragen */
   Serial.print("\t");           /* Tab als Trennung */
   Serial.println(Temp.Celsius); /* Temperatur übertragen */
   #endif
   /* Deepsleep */
   #ifdef SLEEP
   esp_deep_sleep_start(); /* Deepsleep starten */
   #endif
 }

ADC Wert in Temperatur um wandeln

Die Funktion wandelt den ADC Wert in eine Temperatur in Grad Celsius um.

 /*
 Wandelt den ADC Wert in eine Temperatur in Grad Celsius um.
 Diese Funktion ist für den Temperatur Sensor LM35CAZ.
 Input:
   uint16_t Raw  -> ADC Wert  
   float Max     -> Maximale ADC Wert (12bit: 4096.0 10bit: 1024.0)
 Output:
   float Celsius -> Temperatur in Grad Celsius
 */
 float Calc_Temp(uint16_t Raw, float Max)
 {
   float Millivolt = 0;
   float Celsius = 0;
   Millivolt = (Raw / Max) * 5000; /* Berechnung der Spannung */
   Celsius = Millivolt / 10;       /* Berechnung der Temperatur */
   return Celsius;
 }

Leuchtdioden Steuerung

Diese Funktion entscheidet die Farbe der Leuchtdiode.

 /*
 Stellt die Farbe und Helligkeit der Leuchtdioden ein.
 Wenn die Temperatur unter der ersten Schwelle ist sind
 die Leuchtdioden blau. Unter der zweiten Schwelle sind 
 die Leuchtdioden lila und wenn sie über der zweiten
 Schwelle sind werden die Leuchtdioden rot. 
 Input:
   uint8_t Data        -> Temperatur
   uint8_t Threshold0  -> Erste Schwelle
   uint8_t Threshold1  -> Zweite Schwelle
   uint8_t Brightness  -> Helligkeit der LEDs (0-255)
 Output: -
 */
 void Set_LED(uint8_t Data, uint8_t Threshold0, uint8_t Threshold1, uint8_t Brightness)
 {
   /* Werte für die Übermittlung an die Leuchtdiode vorberieten */
   if (Data < Threshold0) /* Kleiner erste Schwelle -> Leuchtdiode blau */
   {
     #ifdef FASTLED
     fill_solid(leds, Number, CRGB::Blue); /* Alle Leuchtidoden blau */
     #else
     strip.SetPixelColor(0, blue); /* Leuchtdiode 1 blau */
     strip.SetPixelColor(1, blue); /* Leuchtdiode 2 blau */
     strip.SetPixelColor(2, blue); /* Leuchtdiode 3 blau */
     strip.SetPixelColor(3, blue); /* Leuchtdiode 4 blau */
     #endif
   } 
   else if (Data < Threshold1) /* Kleiner zweite Schwelle -> Leuchtdiode violet */
   {
     #ifdef FASTLED
     fill_solid(leds, Number, CRGB::Violet); /* Alle Leuchtidoden violet */
     #else
     strip.SetPixelColor(0, violet); /* Leuchtdiode 1 violet */
     strip.SetPixelColor(1, violet); /* Leuchtdiode 2 violet */
     strip.SetPixelColor(2, violet); /* Leuchtdiode 3 violet */
     strip.SetPixelColor(3, violet); /* Leuchtdiode 4 violet */
     #endif
   }
   else /* Größer zweite Schwelle -> Leuchtdiode rot */
   {
     #ifdef FASTLED
     fill_solid(leds, Number, CRGB::Red);  /* Alle Leuchtidoden rot */
     #else
     strip.SetPixelColor(0, red); /* Leuchtdiode 1 rot */
     strip.SetPixelColor(1, red); /* Leuchtdiode 2 rot */
     strip.SetPixelColor(2, red); /* Leuchtdiode 3 rot */
     strip.SetPixelColor(3, red); /* Leuchtdiode 4 rot */
     #endif
   }
   
   /* Eingestellte Werte an Leuchtdiode schicken */
   #ifdef FASTLED
   FastLED.setBrightness(Brightness);  /* Helligkeit der Leuchtdioden einstellen */
   FastLED.show();                     /* Einstellungen übertragen */
   #else
   strip.SetBrightness(Brightness);  /* Helligkeit der Leuchtdioden einstellen */
   strip.Show();                     /* Einstellungen übertragen */
   #endif
 }

Komponententest

Akku

Bei diesem Test wurde sowohl der Akku als auch die Deepsleep Funktion des Mikrocontrollers. Vor dem Test wurde der Akku vollgeladen und der Test bestand daraus, dass das System durchgehend betrieben wurde bis der Akku leer gegangen ist. Dabei wurde die Zeit gestoppt, wie lange dieser Prozess dauerte.