Quelltext der Seite Grove - Wassersensor

[[Kategorie:Arduino]]
[[Datei:Water Sensor.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Wassersensor]]
{|class="wikitable"
|-
| '''Autor:'''  || [[Benutzer: Denim Hilz| Denim Hilz]]
|-
| '''Studiengang:'''  || Business and Systems Engineering
|-
| '''Modul:''' || BSE-M-2-1.03, Hausarbeit in Angewandte Informatik gehalten von [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]
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| '''Semester:''' || Sommersemester 2024
|-
| '''Abgabetermin:''' || 28.07.2024
|}

== Einführung ==
=== Aufgabenstellung ===
In diesem Artikel wird der '''Grove Water Sensor''' näher erläutert, die Implementierung in '''Matlab/Simulink''' aufgezeigt und die '''Kalibrierung''' und '''Filterung''' vorgestellt.
Der Grove Water Sensor dient zur Erkennung von Wasser und zur Messung des Wasserstands. Einsatzbereiche sind unter anderem das Aufspüren von Wasserlecks, die Steuerung automatischer Bewässerungssysteme, die Überwachung des Wasserstands in Behältern, die Detektion von Flüssigkeiten in Maschinen sowie die Überwachung unerwünschten Wassers in Smart Home Systemen. <ref>https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/101020018_01.pdf, abgerufen am 14.07.2024</ref>


{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
| <strong>Anforderungen&thinsp;</strong>
|-
| 
{| class="wikitable"
|+ Tabelle 1: Anforderungen
|-
! Req. !! Beschreibung !! Priorität
|-
| 1 || Der Niederschlag muss mittels Wassersensor, Arduino und Simulink gemessen werden.|| 1
|-
| 2 || Der Messbereich muss bestimmt werden. || 1
|-
| 3 || Die Messunsicherheit (1σ) muss für den Messbereich ermittelt und als Vertrauensbereich angezeigt werden. || 1
|-
| 4 || Der Sensor muss kalibriert werden. || 1
|-
| 5 || Für den Messbereich muss der Niederschlag referenziert werden. || 1
|-
| 6 || Die Messwerte müssen über der Zeit gefiltert werden.  || 1
|-
| 7 || Ein Piepton muss anzeigen, wenn der Messwert stabil/konstant ist und Niederschlag erkannt wurde. || 1
|-
| 8 || Das Sensorsystem muss eine Regenwarnung auf dem [[LCD_Modul_16x02_I2C|LCD-Display]] anzeigen. || 2
|}
|}

*'''Thema/Fragestellung:''' Feststellen ob es zum gegenwärtigen Zeitpunkt Niederschlag gibt mittels des Grove Water Sensor.
*'''Hypothese:''' Niederschlag lässt sich über den Grove Water Sensor feststellen.
* '''Einordnung in den Lehrplan:''' Die im Modul '''Angewandte Informatik''' vermittelten Lernziele, werden im Rahmen dieses Praxisbeispiels angewendet. Folgende Lernziele gilt es dabei zu überprüfen.
** mit der Versionskontrolle SVN nachhaltig Quelltext entsprechend der Programmierrichtlinien schreiben, sichern, kollaboriert bearbeiten und Konflikte lösen.
** in einer mathematisch orientierten Systax (z. B. MATLAB®) mit Vektoren und Matrizen rechnen, Programmteile in Funktionen auslagern, Zweige und Scheifen programmieren, Daten importieren und visualisieren.
** die Mikrocontrollerplattform Arduino modellbasiert mit Simulink programmieren, so dass Sensoren eingelesen und Aktoren angesteuert werden können. <ref>https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/BSE_Angewandte_Informatik_-_SoSe24, abgerufen am 14.07.2024</ref>

== Projektbeschreibung ==
In diesem Abschnitt werden die verwendeten Komponenten vorgestellt.
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 2: Materialliste 
|-
! #  !! Anzahl !! Material
|-
| 1  || 1|| PC mit MATLAB/Simulink R2023b
|-
| 2  || 1 || Arduino Uno R3
|-
| 3  || 1 || Grove Water Sensor
|-
| 4 || 1 || Streckbrett
|-
| 5 || 5 || Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm
|-
| 6 || 1 || LCD Display
|}

=== Beschreibung der verwendeten Hard- und Software ===

'''Simulink R2023b'''

Simulink ist eine grafische Entwicklungsumgebung, die zur MATLAB-Software von MathWorks gehört. Sie dient vor allem der Modellierung, Simulation und Analyse dynamischer Systeme. In diesem Praxisbeispiel dient Simulink der Verarbeitung der Sensordaten. <ref>https://de.mathworks.com/products/simulink.html, abgerufen am 14.07.2024</ref>

'''Arduino Uno R3'''

Der Arduino Uno R3 ist ein beliebtes Mikrocontroller-Board für Elektronikprojekte, basierend auf dem ATmega328P mit 32 KB Flash-Speicher. Es bietet 14 digitale Ein-/Ausgänge, von denen 6 PWM-fähig sind und 6 analoge Eingänge. Der Uno wird über USB oder eine externe Quelle betrieben und lässt sich einfach über die Arduino IDE in C/C++ oder über Matlab/Simulink programmieren.<ref>https://docs.arduino.cc/hardware/uno-rev3/, abgerufen am 14.07.2024</ref> 

'''Grove Water Sensor'''

Der Grove Water Sensor wird eingesetzt, um Wasserpräsenz und -stand zu erfassen. Er findet in verschiedenen Bereichen Anwendung:

*Wasserleckerkennung: In Haushalten, Büros und industriellen Umgebungen hilft der Sensor, Wasserlecks aufzuspüren und dadurch Schäden durch undichte Stellen zu verhindern.
*Automatisierte Bewässerungssysteme: In der Landwirtschaft und Gartenpflege misst der Sensor den Bodenfeuchtigkeitsgehalt und steuert automatische Bewässerungssysteme.
*Füllstandsmessung: Der Sensor überwacht den Wasserstand in Behältern, Tanks oder Reservoirs und verhindert Überlauf oder Trockenlauf.
*Flüssigkeitserkennung in Maschinen: In industriellen Anwendungen überwacht der Sensor den Flüssigkeitsstand in Maschinen oder Systemen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
*Smart Home Anwendungen: In Smart Home Systemen sendet der Sensor Alarme oder Benachrichtigungen, wenn unerwünschtes Wasser erkannt wird, beispielsweise im Keller oder in der Küche. <ref>https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/101020018_01.pdf, abgerufen am 14.07.2024</ref>

'''Steckbrett'''

Ein Steckbrett ermöglicht die Verbindung elektrischer Bauelemente ohne Löten. Es ist in horizontale und vertikale Reihen unterteilt, in denen die Bauteile miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu Leiterplatten werden die Komponenten bei Steckbrett nicht gelötet, sondern in Federkontakte gesteckt. Dadurch kann die Schaltung einfach durch Umstecken angepasst werden. <ref>https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Steckbrett, abgerufen am 14.07.2024</ref>

'''LCD Display'''

Das I2C 1602 LCD Modul hat ein zweizeiliges Display, das jeweils 16 Zeichen pro Zeile anzeigen kann, und ist mit einem I2C Modul HW-061 auf der Rückseite ausgestattet. Es benötigt eine Taktverbindung (SCL), eine Datenverbindung (SDA) sowie +5VDC und GND. Das Display kann über den I2C-Bus mit lediglich vier Anschlusskabeln betrieben werden. <ref>https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/LCD_Modul_16x02_I2C, abgerufen am 14.07.2024</ref>

=== Funktionsweise des Grove Water Sensor ===

==== Technische Daten ====
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 3: Sensordaten <ref>https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/101020018_01.pdf, abgerufen am 14.07.2024</ref>
|- 
| Messbereich || 0&thinsp;V - 5&thinsp;V
|- 
| Versorgungsspannung || 5&thinsp;V
|- 
| Versorgungsstrom || 20&thinsp;mA
|- 
| Arbeitstemperatur || 10&thinsp;°C - +30&thinsp;°C
|- 
| Abmessungen|| 20&thinsp;mm x 20&thinsp;mm x 10&thinsp;mm
|}

==== Pinbelegung ====
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 4: Pinbelegung bei dem Sensor <ref>https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/101020018_01.pdf, abgerufen am 14.07.2024</ref>
! style="font-weight: bold;" | Pin
! style="font-weight: bold;" | Belegung
! style="font-weight: bold;" | Signal
|-
| 1 || Masse (GND)  || 0&thinsp;V
|-
| 2 || Versorgungsspannung VCC  || 5&thinsp;V
|-
| 3 || Not Connected (NC) || -
|-
| 4 || Analog Output (SIG) || 0&thinsp;V - 5&thinsp;V
|}

== Versuchsaufbau und Durchführung ==
=== Versuchsaufbau ===
Der Versuchsaufbau wird durch einen Schaltplan '''(Abbildung. 2)''', Anschlussplan '''(Abbildung. 3)''' und Foto des Aufbaus '''(Abbildung. 4)''' dokumentiert. 
Der Sensor wird mit dem Arduino über drei Kabel verbunden. Das rote Kabel liegt an der Versorgungsspannung VCC und das schwarze Kabel an Ground GND. Das blaue Kabel für die Signalübertragung wird an den analogen Eingang A0 des Arduino angeschlossen. Der Sensor funktioniert dabei sowohl über die Analogen, wie auch über die digitalen Eingänge am Arduino.

=== Versuchsdurchführung ===

==== Simulink Modell ====

Das in Matlab/Simulink erstellte Modell zur Verarbeitung der vom Sensor gelieferten Daten ist in '''Abbildung ??''' zusehen.

'''Modelleinstellungen:''' Arduino Uno, Solver: Fixed-step, discrete, Abtastrate: 0,001 s

==== Mess- und Vertrauensbereich ==== 
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==== Kalibrierung des Sensors ====
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==== Filterung der Messdaten ====

Der Sensor soll den Niederschlag zuverlässig messen und feststellen ob es regnet. Dazu wurde der Sensor in eine Halterung geschraubt, die es ermöglicht von oben Wasser darauf tropfen zu lassen. Die Halterung '''(Abbildung ??)''' wurde dabei in [https://www.autodesk.de/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription#top Autodesk Fusion360] selbst modellierte und über einen [https://www.prusa3d.com/de/produkt/original-prusa-mk4-2/ 3D-Drucker] ausgedruckt.

=== Versuchsbeobachtung ===
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== Auswertung==

=== Regenerkennung ===

== Zusammenfassung und Ausblick ==
=== Zusammenfassung ===
=== Diskussion der Ergebnisse ===
=== Ausblick ===
=== Selbstreflexion/Lessons learned ===

== Ergebnisvideo ==
'''Video der Versuchsdurchführung'''

Anleitung: [[Videos_einbinden|Videos im Wiki einbinden]]

== Lernzielkrontrolle ==
Beantworten Sie in Ihrem Artikel die Lernzielkontrollfragen.
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
| <strong>Lernzielkontrollfragen&thinsp;</strong>
|-
| 
# Wie funktioniert der Primärsensor technisch? 
# Welche Leistungsmerkmale hat der Sensor?
# Wie funktioniert die Umsetzerschaltung technisch?
# Wie kommuniziert der Sensor mit dem Arduino?
# Muss der Sensor kalibriert werden? 
# Wie wird der Messwert in die zu messende physikalische Größe umgerechnet? 
# Was nutzen Sie als Referenz? 
# Benötigt der Sensor eine Kennlinie?
# Welchen Messbereich hat das Signal am Ende der Messkette?
# Welche Messunsicherheit und welcher Vertrauensbereich hat das Signal am Ende der Messkette für den gesamten Messbereich?
# Welche Auflösung hat das Signal am Ende der Messkette? Wodurch wird die Auflösung bedingt?
# Weist das Signal am Ende der Messkette einen systematischen oder zufälligen Fehler auf?
# Welche Fehlereinflüsse hat die Messung? Muss z.&#8239;B. die Temperatur der Messung berücksichtigt werden?
|}

== Literatur ==
Zitieren Sie nach [[Zitieren_nach_DIN1505|DIN ISO 690:2013-10]].

== Anhang ==
* Datenblätter
* Simulink-Modell
* Originaldateien (PAP, Schaltplan,... )
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