Smart Coaster: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 22. Dezember 2020, 15:56 Uhr

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.

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	Schutzschaltung integriert	Ja
1	Batterie Shield	Link	D1 Mini Modul	Ja
1	Temperatur Sensor LM35CAZ	Link	TO-92-3 Gehäuse	Ja
4	Leuchtdiode WS2812B	Link	Strip mit 30 Led/m	Ja
1	Schiebschalter	Link	Zwei Positionen	Ja
1	3D Gehäuse	Link	Wird von der Hochschule gedruckt	Ja

Umsetzung (HW/SW)

Vorerst Ideen Sammlung für die Umsetzung! Wird noch bis zum Projekt Ende überarbeitet.

Hardware

Stückliste

Verdrahtung

Gehäuse

Zusammenbau

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 Abb. 3 und Abb. 4)

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

Abb. 4: 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. 5)

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. 6)

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.

Der Test wurde mit einem Zeitraffer Video dokumentiert.

Das Testprotokoll wurde im SVN hier abgelegt.

Der Test war XXX

Temperatur Sensor

Bei diesem Test wurde überprüft ob der Temperatur Sensor die richtige Temperatur ermittelt. Dafür wurde eine Referenz mit einem Multimeter und einem Temperaturfühler genommen und mit dem Ergebnis des Systems vergleichen. Dafür wurde die Serielle Debug Schnittstelle verwendet. Die Messung wurde mit unterschiedlichen Temperaturen wiederholt durch geführt.

Die ermittelten Werte wurden in einer Excel Tabelle gesammelt und mit einander Verglichen.

Das Testprotokoll wurde im SVN hier abgelegt.

Der Test war XXX

Leuchtdiode

Bei diesem Test ging es darum ob die Leuchtdioden die drei verschiedenen Farben dargestellt haben. Der Test wurde so durch geführt, dass der Temperatur Sensor erhitzt oder abgekühlt wurde um den Wechsel in den verschiedenen Farben zu erzwingen.

Das Testprotokoll wurde im SVN hier abgelegt.

Der Test war XXX

Ergebnis

Zusammenfassung

Dieses Projekt erfüllt alle am Anfang festgelegten Anforderungen.

Bei diesem Projekt wurden alle Teilbereiche der Systementwicklung abgedeckt. Also der Systementwurf, die Planung, die Hardware und Software Entwicklung, die Komponententests und die Dokumentation.

Für eine kommerzielle Nutzung fehlen noch eine bestimmte Anzahl an Erweiterungen. Wenn aus der Gastronomie ein Interesse besteht könnten diese Erweiterungen ohne Probleme eingefügt werden.

Lessons Learned

Während der Durchführung dieses Projektes gab es nur ein Problem und zwar hatten die verwendten Bauteile keine Befestigungsmöglichkeiten (Bohrlöcher oder vergleichbares) und mussten deswegen verklebt werden. Für einen ersten Prototypen ist dies ausreichend, aber nicht für eine Kommerzielle Nutzung.

Dieses Projekt kann noch umfangreich erweitert werden. Vorschläge zur Erweiterung:

Übergangseffekt für die Farben
- nur 3 Farben sondern ein Verlauf
Smarthome / IoT Integration
- Der verwendete ESP32 ist Wlan und BT fähig und könnte in ein Smarthome / IoT Netzwerk integriert werden
- Kommerzielle Nutzung in Gaststätten um Eiswürfel anzubieten oder das Getränk direkt zu tauschen.
Induktives Laden
- Smart Coaster Wasserdicht machen und den Akku über Induktion Laden
- Lade Spule in den Boden des Smart Coasters
Taster zum Kellner rufen
- Kleiner Taster an der Seite
Diebstahl Sicherung
- Buzzer der angeht sobald die Verbindung zum Heimat Wlan Netzwerk unterbrochen wird
Boden des Smart Coasters ohne Schrauben verschließen
- Entweder gar keinen einzelnen Boden mehr und alles Wasserdicht verpacken (siehe 3.)
- Clips verwenden
Wasserdichtes Gehäuse
- O-Ring im Boden zur Abdichtung
- Vergießen des Gehäuses