Hausautomation

Autoren: Andreas Werning, Barinder Singh, Marvin Flach, Oluwatobiloba Oguntona

Betreuer: Prof. Michael Wibbeke & Marc Ebmeyer

Wintersemester: 2025/2026

Fachsemester: 7

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Smart Home

Einleitung

m Rahmen des Praktikums im Bereich Produktionstechnik im siebten Semester des Mechatronik-Studiengangs an der HSHL wird ein Smart-Home-System entwickelt, das mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) automatisierte Funktionen im Modellhaus realisiert. Ziel des Projekts ist es, ein intelligentes System zu schaffen, das die Temperatur im Haus automatisch reguliert und darüber hinaus Aufgaben wie z. B. das automatische Türöffnen realisiert. Die Entwicklung orientiert sich am V-Modell, mit klar definierten Schritten von der Anforderungsanalyse über den Entwurf bis hin zur Implementierung und Tests.

Aufgabenstellung und Zielsetzung

Aufgabe des Projekts ist die Planung, Implementierung und Inbetriebnahme eines automatisierten Hausmodells auf Basis der SPS. Hierfür sind geeignete Sensoren und Aktoren auszuwählen, anzuschließen und über eine Steuerungslogik zu verknüpfen. Die Steuerung soll insbesondere eine automatische Temperaturregelung ermöglichen und weitere definierte Funktionen, wie das Öffnen und Schließen einer Tür, zuverlässig ausführen. Ziel ist es, ein funktionsfähiges Gesamtsystem zu realisieren, das die definierten Anforderungen erfüllt, erfolgreich getestet wurde und durch eine vollständige technische Dokumentation nachvollziehbar beschrieben ist.

Vorgehensweise nach V-Modell

Das V-Modell (vgl. Abbildung 2) ist eine grafische Darstellung des Lebenszyklus einer Systementwicklung. Es wird verwendet, um strenge Entwicklungslebenszyklusmodelle und Projektmanagementmodelle zu erstellen. Diese Struktur wurde verwendet, da sie die durchzuführenden Aktivitäten und die Ergebnisse beschreibt, die während der Produktentwicklung erzielt werden müssen.

Abbildung 2: V-Modell

Anforderungsdefinition

In diesem Abschnitt werden die Anforderungen des Projekts werden klar dokumentiert und in verschiedene Kategorien gegliedert. Die Anforderungen für dieses Projekt unterteilen sich in die Punkte: Aufbau, Software & Schnittstellen, Geometrie, Dokumentation.

Nr.	Kategorie	Anforderung	Priorität
1	System	Das Modellhaus muss zentral über die SPS Phoenix Contact AXC 1050 gesteuert werden	Hoch
2	Sensorik	Das System muss Temperatursensor zur Erfassung der Raumtemperatur besitzen	Hoch
3	Sensorik	Ein Bewegungsmelder muss Bewegungen im Erfassungsbereich erkennen können	Hoch
4	Aktorik	Heiz- bzw. Lüftungselemente müssen durch die SPS ansteuerbar sein	Hoch
5	Aktorik	Ein Servomotor muss zum Öffnen und Schließen der Tür eingesetzt werden	Hoch
6	Aktorik	Beim Öffnen der Tür muss die LED eingeschaltet sein, beim Schließen der Tür muss die LED ausgeschaltet sein.	Hoch
7	Regelung	Die Temperaturregelung muss automatisch in Abhängigkeit vom Messwert erfolgen	Hoch
8	Steuerung	Die Steuerungslogik muss in einer SPS-Programmiersprache umgesetzt werden	Hoch
9	Funktion	Wird eine Bewegung erkannt, muss die Tür automatisch geöffnet werden	Hoch
10	Sicherheit	Fehlfunktionen (z. B. Sensorausfall) müssen im Programm erkannt werden	Hoch
11	Test	Alle Funktionen müssen in einem Systemtest überprüft werden	Hoch
12	Dokumentation	Schaltpläne, Programmcode und Testergebnisse müssen dokumentiert werden	Hoch Fuktionaler Systementwurf Technischer Systementwurf Komponentenspezifikation In diesem Abschnitt werden die Aufgaben und allgemeine Informationen der ausgewählten Komponenten beschrieben. Komponenten Beschreibung Abbildung Arduino UNO R3 Der Arduino Uno ist ein weit verbreitetes und besonders einsteigerfreundliches Mikrocontroller-Board, das sich ideal für Lernzwecke, Prototyping und erste Elektronikprojekte eignet. Das Keyestudio Uno R3, vollständig kompatibel mit dem Arduino Uno R3, basiert auf dem ATmega328P-PU mit 16 MHz, arbeitet mit 5 V und bietet 14 digitale Ein-/Ausgänge (davon 6 mit PWM) sowie 6 analoge Eingänge. Mit 32 KB Flash, 2 KB SRAM und 1 KB EEPROM sowie USB-Anschluss, Strombuchse und ICSP-Headern enthält das Board alles Nötige für den Einstieg. Dank der großen Arduino-Community, umfangreicher Dokumentation und zahlreicher Erweiterungen lassen sich Projekte schnell, einfach und flexibel umsetzen. (zum Datenblatt) Abbildung x: Arduino Uno R3 Servomotor SG90 Ein Micro-Servo ist ein sehr kleiner, leichter Servo mit hoher Leistung, der sich etwa 180° drehen kann und sich leicht per Arduino-Bibliothek ansteuern lässt. Servos bestehen generell aus einem Elektromotor und einer integrierten Steuerelektronik, die elektrische Signale in mechanische Bewegung umwandelt, wie es im Modellbau weit verbreitet ist. Im Inneren misst ein Potentiometer die aktuelle Position, und eine Regeleinheit vergleicht Soll- und Istwert, um den Motor präzise auf die gewünschte Position zu bringen. (zum Datenblatt) Abbildung x: Servomotor SG90 Axiallüfter Der verwendete Axiallüfter der Firma Sunon weist Abmessungen von 40 × 40 × 20 mm auf, arbeitet mit einer Betriebsspannung von 24 V DC und besitzt eine Leistungsaufnahme von 0,84 W. Der Lüfter erreicht eine maximale Drehzahl von 7000 RPM sowie einen Luftdurchsatz von 8,9 CFM und ist mit einem Vapo-Lager ausgestattet; der Anschluss erfolgt über einen 2-Pin-Stecker. Zur Ansteuerung dieses Aktors wird ein digitaler Ausgang verwendet, dessen genaue Informationen in der entsprechenden Schaltungsdokumentation zu entnehmen sind. (zum Datenblatt) Abbildung x: Axiallüfter Kühlkörper RGB LED (zum Datenblatt) Abbildung x: RGB LED Peltier-Element (zum Datenblatt) Abbildung x: Peltier-Element Bewegungsmelder (zum Datenblatt) Abbildung x: Bewegungsmelder NTC Thermistor [[Datei: |200px|mini|zentriert|Abbildung x: NTC Thermistor]] SPS Entwicklung des Hauses CAD Modell des Hauses Das Design und die Montage des Hauses wurden mit SolidWorks durchgeführt. Abbildung x zeigt das CAD-Modell des Hauses. Alle CAD-Daten finden Sie hier. Abbildung x: CAD-Modell des Hauses Technische Zeichnung Abbildung x: Vorderansicht Abbildung x: Seitenansicht Bau des Hauses Programmierung Arduino Code Komponententest Integrationstest Systemtest Abnahmetest Fazit und Ausblick Lessons Learned Zusammenfassung Literaturverzeichnis → zurück zur Übersicht: Praktikum Produktionstechnik