Projekt 87: Kaffeekannen Kamera

Autoren: Maximilian Harrer und Tobias Wemmer
Betreuer: Prof. Schneider

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Thema

Konfliktmanagement im Arbeitsleben durch fortschrittliche Technik. Frei nach dem Motto:

„Büro ist Krieg“ – Bernd Stromberg

Aufgabe

Entwickeln Sie eine Erweiterung für eine Kaffeekanne, welche zum einen den Füllstand überwacht und zum anderen ein Foto von der Person macht, welche die Kaffeekanne leert. Dieses Foto soll anschließend auf einem Bildschirm angezeigt werden, wenn die Person keinen neuen Kaffee kocht.

Erwartungen an Ihre Projektlösung

Planung des Gesamtsystems
Funktionsspezifikation:
- Überwachung des Füllstands der Kaffeekanne
- Kameraüberwachung der Kaffeekanne
- Bildschirmanzeige des Fotos (sofern kein Kaffee nachgekocht wird)
- Bild löschen, wenn Kaffee nachgekocht wird
Beschaffung der Bauteile
Hard- und Softwareseitige Realisierung des Aufbaus
Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
Test und wiss. Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Kür: Modellbasierte Programmierung der Hardware via Simulink

Einleitung

Projekt

Projektplan

Tabelle X: Projektplan
1. Erstellung Lösungskonzepte	6.2 Test am Steckbrett	8.3 Ansteuerung Bildschirm
2. Erstellung BOM	6.3 Erstellung Gerber Daten	9. Zusammenbau Gehäuse und Komponennten
3. Kontruktion Gehäuse/Kaffeemaschine	7. Erstellung Simulink Programm	10. Test des Geräts
3.1 Beschaffung Kaffeekanne	7.1 Installation Arduino Toolbox	11. Vorbereitung Präsentation
3.2 Anpassung Gehäuse an Maße der Kaffeekanne	7.2 Einlesen Messwerte	11.1 Ausdruck Projekt Schilder
3.3 Konstruktion Wiegemechanismus	7.3 Kalibrierung	11.2 Ausdruck Konstruktion
5. Bauteiltest	7.4 Ausgabe an Raspberry Pi	11.3 Ausdruck Schaltung
5.1 Erstellung Arduino Programm für Bauteil Tests	7.5 Funktionstest Simulink	11.2 Ausdruck Simulink Programm
5.2 Bauteiltest	8. Programmierung Raspberry Pi	Kontinuierlich:
6. Erstellung Platinen	8.1 Einlesen Arduino Signale	Dokumentation in SVN und im Wiki
6.1 Entwurf Schaltung	8.2 Ansteuerung Kamera	Test und Verbesserung

Projektdurchführung

Aufsetzen des Raspberry Pi

Zum Aufsetzen des Raspberry Pis wird die folgende Hardware benötigt:

Benötigte Hardware:

Lan-Kabel (Wird beim ersten Start und zur Wartung benötigt)

Raspberry Pi Netzteil / Micro USB Kabel (Zur Spannungsversorgung, auf Dauer ist ein festes Netzteil ratsam)

Micro-SD-Karte (Entspricht der Festplatte des Raspberry Pi)

SD-Adapter (USB oder Karte)

PC (Zum Aufsetzen der SD-Karte und zur weiteren Programmierung)

Benötigt Software

Raspbian (Betriebssystem des Raspberry Pi)^[1]

Win32 Discimager (zum Bespielen der SD-Karte)^[2]

7zip File Manager (zum Packen und Entpacken von zip-Dateien)^[3]

Putty (SSH-Client zur Kommunikation von PC und Raspberry Pi)^[4]

Wordpad, Word, Editor, OpenOffice Wirter oder sonstiges Textprogramm

Verbindung zwischen Arduino und Raspberry Pi

3 Leitungen (1 Foto; 2 Anzeigen; 3 Löschen) Anpassund der Spannung von 5V (Arduino) auf 3,3V (Raspberry Pi) via Spannungsteiler

Erstellung der Platine zur Spannungsteilung

Für die Erstellung der Platine, welche den Arudino mit dem Raperry PI verbinden soll, wurde die Software Multisim/Ultiboard genutzt. Zunächst wurde mittels Multiboard der Schaltplan konzipiert. Für die Funktion der Kaffeemaschine werden für die Weitergabe von Signalen für das Aufnehmen eines Fotos, das Anzeigen eines Fotos und dem Löschen des Fotos In- und Outputschnittstellen für Arduino und Rasperry PI benötigt. Um die Funktionsfähigkeit zu testen wurden zudem für jeden Vorgang eine LED integriert, welche bei einer Signalübertragung aufleuchten soll. Zudem musste ein Masseanschluss integriert werden. Anschließend wurde das Schaltbild in Ultiboard übertragen. Dort wurden die einzelnen Bauteile angeordnet und miteinander verbunden. Für das Fräsen der Platine wurden Gerber-Files im Format RS274X exportiert und an Herrn Ramesohl übergeben.

Schaltung des Wiegemechanismus

4 Potentiometer - jeweils eins pro seite 1 Taster

Konstruktion der Kaffeemaschine

In der frühen Planungsphase des Projekts wurde deutlich, dass die Modifizierung einer bereits vorhandenen Kaffeemaschine nicht sinnvoll wäre. Grundlage dieser Entscheidung war hauptsächlich das Material. Daher entschieden wir uns, einen eignen Prototyp aus Holz zu fertigen. Das Holzgehäuse inklusive Wiegemeachanismus wurde mit Hilfe der Software zur Erstellung von 3-D Modellen "SketchUp" konzipiert. Anhand des in SketchUp modellierten Konstruktionsplans wurden anschließend die Einzelteile aus Holz gefertigt und durch Schrauben miteinander verbunden. Die Schiebepotentiometer und Federn wurden verklebt. Die Konstruktion lässt sich in 4 Teile aufgliedern:

Teil 1: Zunächst wurde das Grundgerüst entworfen, welches jeweils 4 Löcher auf den rechten und linken Seite für die Verkabelung der Schiebepotentiometer aufweist. Wichtig dabei ist zudem, dass die Höhe ausreichend für die Federn des Wiegemechanismus ist.

Teil 2: Verbunden mit den Reglern die Potentiometer und auf den Federn lagernd soll eine Holzplatte der Kaffeekanne als Stellfläche dienen. Die Holzplatte im Zusammenspiel mit Federn und Schiebepotentiometern bilden den Wiegemechanismus, welcher sich in Abhängigkeit des auf ihn lastenden Gewichts absenkt. Diese Absenkung wird durch die Schiebepotentiometer aufgenommen und an den Arduino weitergegeben.

Teil 3: Darauf wurde ein Aufbau gesetzt, welcher die Kaffeekanne umschließt. Dieser enthält zudem ein Loch auf der Oberseite für das Einsetzen eines handelsüblichen Trichters zum befüllen der Kaffeekanne, ohne diese zu entnehmen.

Teil 4: Für die Montage der Kamera sowie der Befestigung weiterer Komponenten wie Arduino und Rasperry PI wurde zuletzt eine Platte auf die Rückseite der Konstruktion gesetzt, welche die anderen beiden Teile überragt. Dies ist von Nöten, um der Kamera einen optimalen Aufnahmewinkel zu ermöglichen.

Berechnung der Federkonstantede der Federn für den Wiegemechanismus

Wie in der Konstruktionsphase konzipiert, sollen für den Wiegemechanismus neben Schiebepotentiometern 4 Druckfedern verwendet werden. Um zu ermitteln, welche Federn beschafft werden müssen, mussten im Vorfeld einige Kennzahlen ermittelt werden. Zunächst wurden die Gewichte der für den Wiegemechanismus relevanten Teile gemessen (siehe Tabelle "Kennzahlen für Wiegemechanismus"). Daraus wurden die optimalen Federeigenschaften errechnet (siehe Tabelle "Optimale Feder"). Die wichtigste Kennzahl stellt dabei die Federrate (R) dar. Diese gibt an, wie stark sich die Feder bei einer Krafteinwirkung staucht und lässt sich mit der Formel $R = \frac{m \cdot g}{\Delta h}$ errechnen. Daraus ergibt sich $R = \frac{1,04 kg \cdot 9,81 \frac{m}{s^2}}{38 mm} = 0,27 \frac{N}{mm}$ . Die Masse "m" stellt sich dabei aus dem Gewicht der Bodenplatte, der Kaffekanne und dem maximalen Inhalt (700 ml) zusammen, $\Delta h$ ist die Reichweite des Schiebepotentiometers und g die durch ein Schwerefelde verursachte Kraft auf einen Körper, welche mit $9,81 \frac{m}{s^2}$ definiert ist. Abschließend konnte daraus eine Feder ermittelt werden, derer Eigenschaften der "optimalen Feder" am nähsten kommen. Folgend werden die ermittelten Daten in drei Tabellen wiedergegeben.

Tabelle X: Kennzahlen für Wiegemechanismus
Bezeichnung	Gewicht
Kaffekanne	0,17 kg
Inhalt (min.) 100 ml	0,10 kg
Inhalt (max.) 700 ml	0,70 kg
Bodenplatte	0,17 kg
Kaffekanne + Inhalt (leer)	0,44 kg
Kaffekanne + Inhalt (voll)	1,04 kg

Optimale Feder

Tabelle X: Optimale Feder
Bezeichnung	Formelzeichen	Kennzahlen
Aufzunehmende Kraft Fn(min)	Fn	4,31 N
Aufzunehmende Kraft Fn(max)	Fn	10,19 N
Maximale Höhenveränderung	Delta h	38 mm
Federkonstante bei einer Feder	R	0,27 N/mm
Federkonstante je Feder bei 4 Federn	R/4	0,07 N/mm

Tabelle X: Gewählte Feder
Bezeichnung		Kennzahl
L0	Maximale Höhe	71,30 mm
Ln	Minimale Höhe	23,25 mm
Delta h	Maximale Höhenveränderung	48,05 mm
D	Äußerer Durchmesser	20,00 mm
Fn	Maximale Krafteinwirkung	16,82 N
R	Federkonstante	0,09 N/mm

Simulink Programm zum Auslesen der Potentiometer

Zunächst Tests mit LEDs für den Status (Rot, Gelb, Blau) zur Simulation der Ausgabe des Arduinos

Raspberry Pi Programm zur Aufnahme/Anzeige des Fotos

Tests

Begleitende Test z.B. des Simulink Programms (s.o.) Abschließende Tests: Test der gesamten Konstruktion -Leere Kanne -Volle Kanne -Grenzwerte überprüfen -Kannenposition ändern

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Ausblick

- RFID Kartenleser (z.B. Arbeitsausweis) zur Erkennung der Person. Foto wird aus Datenbank verwendet, wodurch immer ein "gutes" Foto vorhanden ist. Ggf. problematisch hinsichtlich der DSGVO.

- Mehrere Kameras die den gesamten Raum überwachen. Zusätzlich Gesichtserkennung und automatische Auswahl des "besten" Bildes"

- Sabotage Schutz: Diverse Möglichkeiten z.B.

Wiege-Mechanismus unter und auf der Kanne (zur Ermittlung des tatsächlichen Gewichts des Inhalts)
Füllstand ebenfalls mittels Kamera überwachen (nur bei Transparenter Kaffeekanne möglich)
Prüfung ob neuer Kaffee gekocht wird, direkt in der Kaffeemaschine prüfen

Projektdaten

Leiterplatten Layout

Schaltplan

Konstruktionsplan Wiegemechanismus

Konstruktionsplan Gehäuse Prototyp

Raspberry Pi Programm Code (Auslesen Arduino Signale, Ansteuerung Kamera und Bildschirm)

Arduino Programm Code (Auslesen Sensoren und Signale an Raspberry Pi)

Simulink Programm (Arduino Code)

YouTube Video

Weblinks

Raspberry Pi - Desktop Image für virtuelle Maschine - Download unter: https://www.raspberrypi.org/downloads/

Raspberry Pi - Raspbian Image - Download unter: https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/

Literatur

↑ Download des Betriebssystems Raspbian. Abgerufen am 02.01.2019.
↑ Download des Win32 Discimagers. Abgerufen am 02.01.2019.
↑ Download des 7zip File Managers. Abgerufen am 02.01.2019.
↑ Download des SSH-Clients Putty. Abgerufen am 02.01.2019.