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

Smart Home Tür

Einleitung

Im 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

Das Hausautomationssystem besteht aus einer zentralen speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) sowie einem Arduino Uno-Mikrocontroller. Die SPS übernimmt die Erfassung und Verarbeitung der temperaturrelevanten Signale und steuert die angeschlossenen Aktoren. Hierzu misst ein NTC-Sensor kontinuierlich die Umgebungstemperatur, welche von der SPS ausgewertet wird, um das Peltier-Element zur Heiz- oder Kühlfunktion anzusteuern. Zusätzlich schaltet die SPS die Lampen zur Beleuchtung des Modellhauses. Für die Anwesenheits- und Türsteuerung wird ein Arduino eingesetzt, an den ein Bewegungsmelder angeschlossen ist. Erkennt der Bewegungsmelder eine Bewegung, steuert der Arduino einen Servomotor an, der das Öffnen und Schließen der Tür übernimmt. Die SPS und der Arduino arbeiten dabei funktional zusammen, sodass ein automatisierter, ereignisgesteuerter Betrieb des Systems gewährleistet ist.

Systementwurf des Hauses

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	Ein Peltier-Element ist ein elektrisches Bauelement, welches bei Stromfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Die Entstehung der Temperaturdifferenz basiert auf dem nach Jean Peltier benannten Peltier-Effekt. Das Peltier-Element ist eine Wärmepumpe und hat die gleiche Funktion wie ein Kühlschrank. Es kommt jedoch ohne mechanisch bewegliche Bauteile (Pumpe, Kompressor) und ohne Kühlmittel aus. Durch Umkehr der Stromrichtung kann der Wärmefluss ebenfalls gedreht werden. (zum Datenblatt)	Abbildung x: Peltier-Element
Bewegungsmelder	Bewegungsmelder schalten eine angeschlossene Beleuchtung ein, sobald Bewegungen in ihrer Nähe erkannt werden. Dies geschieht durch Sensoren, beispielsweise Hochfrequenz (HF) Sensoren, die mit elektromagnetische Wellen arbeiten. Infrarot oder PIR Melder hingegen erkennen Bewegungen anhand der Infrarot Strahlung sich bewegender Personen oder Tiere. (zum Datenblatt)	Abbildung x: Bewegungsmelder
NTC Thermistor	NTC steht für „Negative Temperature Coefficient“. NTC-Thermistoren sind Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, das heißt, ihr Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab. Sie werden hauptsächlich als Temperatursensoren sowie zur Strombegrenzung eingesetzt. Ihr Temperaturempfindlichkeitskoeffizient ist etwa fünfmal höher als der von Silizium-Temperatursensoren und ungefähr zehnmal höher als der von Widerstandsthermometern (RTDs). NTC-Sensoren werden typischerweise in einem Temperaturbereich von −55 bis +200 °C verwendet. (zum Datenblatt)	Abbildung x: NTC Thermistor

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

Schaltplan

Die Abbildung zeigt die geplante Anordnung der einzelnen Baugruppen auf der Platine. Ziel ist es, eine übersichtliche Struktur der Komponenten sowie kurze und klare Leitungswege zwischen SPS, Arduino, Sensoren und Aktoren zu gewährleisten.

Abbildung x: Planung Platine

Dieser Schaltplanansatz stellt die elektrische Beschaltung des Arduino dar. Der Bewegungsmelder ist an einen digitalen Eingang angeschlossen, während der Servomotor über einen PWM-fähigen Ausgang angesteuert wird. Zusätzlich ist eine LED an einen digitalen Ausgang des Arduino angebunden.

Abbildung x: Schaltplan Arduino

Der LED-Schaltplan zeigt den Anschluss der LED mit einem geeigneten Vorwiderstand zur Strombegrenzung.

Abbildung x: Schaltplan LEDs

Die Abbildung beschreibt die Verschaltung des NTC-Temperatursensors. Der NTC ist in einem Spannungsteiler integriert und an einen analogen Eingang der SPS angeschlossen, um eine temperaturabhängige Spannung zu erfassen

Abbildung x: Schaltplan NTC

Der Schaltplanansatz zeigt die Ansteuerung des Peltier-Elements über die SPS. Das Element wird über einen geeigneten Treiber oder ein Relais geschaltet, um die erforderliche Leistung sicher bereitzustellen.

Abbildung x: Schaltplan Peltier Element

Programmierung

SPS

Abbildung x: Interface

Abbildung x: Duty Cycle

Abbildung x: Reglerbaustein

Abbildung x: Berechnung

Abbildung x: PWM

Abbildung x: I/O

Abbildung x: HMI Variablen

Arduino

Der dargestellte Arduino-Code dient zur Steuerung eines Servomotors und einer LED in Abhängigkeit von einem Bewegungsmelder sowie einem Steuersignal einer SPS. Zu Beginn wird die Servo-Bibliothek eingebunden, um die Ansteuerung des Servomotors zu ermöglichen. Anschließend werden die Pinbelegungen für den Bewegungsmelder, die LED, das SPS-Signal und den Servomotor definiert. Der Servomotor wird über ein Servo-Objekt initialisiert, wobei feste Winkelwerte für die geöffnete und geschlossene Tür festgelegt sind. Im Setup-Teil werden die Ein- und Ausgänge konfiguriert, der Servomotor an den entsprechenden Pin angeschlossen und initial in die geschlossene Position gefahren. In der Hauptschleife liest der Arduino kontinuierlich das digitale Signal des Bewegungsmelders sowie das Steuersignal der SPS ein. Wird eine Bewegung erkannt, schaltet der Arduino die LED ein, andernfalls wird sie ausgeschaltet. Abhängig vom SPS-Signal wird der Servomotor entweder in die Öffnungs- oder Schließposition bewegt. Eine kurze Verzögerung am Ende der Schleife sorgt für einen stabilen und ruhigen Programmablauf.

 include <Servo.h>                   

 const int Bewegungsmelder = 2;
        
 const int LED = 3;     
  
 const int SPS = 4;   
     
 const int ServoPin = 5;       

 Servo servoblau;

 int Servo_Auf = 140;   
        
 int Servo_Zu  = 40;             

 void setup() {

 pinMode(Bewegungsmelder, INPUT);
 pinMode(LED, OUTPUT);
 pinMode(SPS, INPUT);

 servoblau.attach(ServoPin);
 servoblau.write(Servo_Zu);     
 Serial.begin(9600);
 }

  void loop() {

 bool Bewegung = digitalRead(Bewegungsmelder);

 bool SPS_Signal = digitalRead(SPS);

 // LED schalten
 if (Bewegung == HIGH) {
   digitalWrite(LED, HIGH);
 } else {
   digitalWrite(LED, LOW);
 }

 // Servo steuern
 if (SPS_Signal == HIGH) {
   servoblau.write(Servo_Auf);
 } else {
   servoblau.write(Servo_Zu);
 }

 delay(100);
 }

Komponententest

Fazit und Ausblick

Lessons Learned

• SPS Programmierung
• Solidworks
• Löten
• Arduino-Programmierung
• Team Arbeit

Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

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