Projekt 46: FridgeAlert mit Arduino

Autoren: Cosima Eckert-Ludwig & Oleg Patrusev
Betreuer: Prof. Schneider & Prof. Göbel

Abbildung 1: Fridge Alert auf dem Proto Shield

Aufgabe

Erstellung eines Kühlschrankalarmes auf der Arduino UNO Plattform zur Überprüfung, ob die Kühlschranktür geschlossen wurde.

Erwartungen an die Projektlösung

Abbildung 1: Fridge Alert von Desertcart

Teil 1

Untersuchen Sie einen Fridge Alert SO 208
Erstellen Sie das System als prototypischen Eigenbau auf einem Proto-Shield für einen Arduino Uno
Beschaffen Sie die Bauteile
Realisierung und Erprobung des Aufbaus
Machen Sie ein spektakuläres Video, welches die Funktion visualisiert.
Test und wiss. Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Teil 2
Als weiterführende und auf Eigeninitiative basierende Aufgabe ist entschieden worden einen Prototypen herzustellen, der unabhängig von der Arduino Plattform funktioniert.

Schwierigkeitsgrad

Teil 1: mittel (**), Erweiterung Teil 2: anspruchsvoll (***)

Einleitung

Das Ziel des Projektes ist die Erstellung eines Kühlschrankalarms. Die Umsetzung sollte mittels einer Arduino UNO Plattform (Rev. 3) erfolgen. Zur Prototypenherstellung wurde ein Proto-Shield verwendet. Als Vorgabe durch die Betreuer sollte ein funktionsfähiges Modell hergestellt werden, welches im Rahmen einer Abschlussveranstaltung vorzuführen ist. Das Projekt gliedert sich in mehrere Meilensteine, welche dem Projektstrukturplan zu entnehmen sind. Weitere Bestandteile des Projektes sind eine angemessene technische Dokumentation, ein spektakuläres Funktionsvideo und dieser WIKI-Eintrag.

Analyse der Ist-Situation

Der zu untersuchende Fridge Alert SO208 konnte nicht gefunden und analysiert werden. Nach Rücksprache mit den Betreuern ist entschieden worden auf andere Lösungsmöglichkeiten auszuweichen, die realisierbar sind. Bezogen auf die nachfolgende Fall Analyse wurden zwei Sensoren ausgewählt: ein Fotowiderstand und ein Temperatursensor

Fall-Analyse

Fall 1: Die Kühlschranktür wird geöffnet - Lichtquelle des Kühlschranks funktioniert/Lichteinstrahlung (ja) - Temperatur des Kühlschranks sinkt - Alarm HIGH - Kühlschranktür wird zugemacht (ja) - Status OK

Fall 2: Die Kühlschranktür wird geöffnet - Lichtquelle des Kühlschranks funktioniert nicht/Lichteinstrahlung (nein) - Temperatur des Kühlschranks sinkt - Alarm (HIGH) - Kühlschranktür wird zugemacht (ja) - Status OK

Fall 3: Die Kühlschranktür wird geöffnet - Lichtquelle des Kühlschranks funktioniert (nicht)/Lichteinstrahlung (ja/nein) - Temperatur des Kühlschranks sinkt - Alarm (HIGH) - Kühlschranktür wird schlecht zugemacht - Alarm (HIGH) - Kühlschranktür wird richtig zugemacht - Status OK

Der rechts stehende Ablaufplan visualisiert die Logik der drei vorliegenden Fälle.

Umsetzung

Die Umsetzung des Projektes kann in drei Schritte unterteilt werden:

Aufbau und Simulation mittels der Autodesk Circuits Software

In dieser Projektphase ist mit verschiedenen Sensoren und Quelltexten experimentiert worden und eine optimale realisierbare Lösung zu erstellen. Die unten abgebildeten Schaltungen zeigen die finale Version des Fridge Alerts. Es wurden zunächst Teillösungen erstellt, bestehend z.B. nur aus einem Sensor. Die Autodesk Software bietet zudem die Möglichkeit den Code virtuell zu simulieren. Abbildungen x,y zeigen den Aufba für Projektteil 1. Abbildungen x,y stellen den experimentellen Aufbau für Projektteil 2 dar.

Abbildung 3: Komponentenskizze
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan

So konnte folgende Stückliste für Projektteil 1 ermittelt werden, die folgende Bauteile erhält:

Bauteil	Typ	Kennwert/Datenblatt
Fotowiderstand	Excelitas A9013 Gehäuseart 5mm	Datenblatt
Temeperatursensor	LM335	Datenblatt
Summer	Alcron	Datenblatt
Arduino Proto Shield	Sparkfun Rev3	Baukasten
Cermet-Trimmer	liegend, 10mm,	100 K-Ohm
Widerstand	Metallschicht	1 K-Ohm
LED	blau	Datenblatt
LED	grün	Datenblatt

Für Projektteil 2 wurden folgende Bauelemente zusätzlich benötigt:

Bauteil	Typ	Kennwert/Datenblatt
Mikrocontroller	Attiny 85	Datenblatt
Kondensator	Subminiatur-Elko	10µF/16V
Batteriehalter	3xAA	n.v.

Experimenteller Aufbau auf dem Breedboard

In dieser Projektphase wurden die simulierten Schaltungen auf einem Breedboard in die Realität umgesetzt. Abbildungen x,y zeigen den Arduino Fridge Alert und Abilldungen x,y zeigen den Fridge Alert mit dem Microkontroller Attiny85. Die Programmierung und das Compilen wurden mit der Arduino Software IDE, welche im Kapitel Quellcode genauer betrachtet wird. Die Videos im folgenden Link zeigen die Funktionsüberprüfung der Schaltungen.

Realisierung des Projektteils 1
Die Verschaltung erfolgte mit Kupferkabeln. Din Pinbelegung ist den Schaltplänen zu entnehmen.

Abbildung 3: Komponentenskizze
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan

Realisierung des Projektteils 2
Die Verschaltung erfolgte mit Kupferkabeln. Din Pinbelegung ist den Schaltplänen zu entnehmen. Beim Brennen des Bootloaders auf den Attiny85 musste zusätzlich ein 10µF Kondensator eingefügt werden, um die Reset-Funktion des Arduinos zu unterdrücken.

Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan 'muss gemacht werden'

Abbildung 3: Schaltplan 'muss gemacht werden'
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan

Fertigung/Lötung des Prototyps

Nach dem Test der Schaltungen musste der Prototyp hergestellt werden. Die nachfolgenden Bilder zeigen den bestellten Sparkfun Proto-Shield, der zunächst gelötet werden musste. Im weiteren Verlauf wurden die Komponenten des Arduino Fridge Alerts auf die Oberfläche gelötet. Dieser funktioniert als ein Steckaufsatz für den Arduino.

Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan
Abbildung 3: Schaltplan

Matlab/Simulinkmodell

Zum Starten des Simulinkmodells ist es erforderlich die „start.m“ Matlab-Datei zu öffnen und zu kompilieren. Die „start.m“ Matlab-Datei besteht im Wesentlichen aus drei Befehlen. Der Befehl black = zeros(1184, 624,3); generiert ein schwarzes Bild mit der Größe 1184 px x 624 px. In der Zeile 11 wird der halbe Umfang des Rades bestimmt. Der Aufruf des Simulinkmodells erfolgt in der Zeile 14.

Abbildung 5: Bestimmung der verstrichenen Zeit
Abbildung 6: Berechnung der akt. Geschwindikeit
Abbildung 7: Bildausgabe auf den Raspberry Pi

Das Simulinkmodell besteht, wie der Abbildung 4 zu entnehmen ist, aus fünf verschiedenen Blöcken. Dabei ist der Cyan- und Magenta-Block Raspberry PI Blöcke. Der Cyan gefärbte Block ist ein Eingangssignal und der Magenta gefärbte Block ein Ausgangssignal des Raspberry Pi. Die grün, gelb und rot eingefärbten Blöcke entsprechen Unterfunktionen des Simulinkmodells. Dabei, wie der Abbildung 5 zu entnehmen ist, ist der grün eingefärbte Block lediglich eine Hilfs-Uhr mit der die Zeit bestimmt wird. In dem Gelb eingefärbten Block wird die Geschwindigkeit bestimmt (siehe Abbildung 6). Das rot eingefärbte Subsystem (siege Abbildung 7) generiert aus dem zu Anfang erzeugten schwarzen Bild, ein Bild mit einer textuellen Animation. Bei der textuellen Animation handelt es sich um die im vorherigen Block berechnete Geschwindigkeit.

Fazit und Ausblick

Das im Rahmen der Veranstaltung durchgeführte Projekt erfüllt die gestellten Anforderungen. Die Schwierigkeit des Projektes würde sich erhöhen, wenn statt dem Raspberry Pi ein handelsübliches Smartphone verwendet werden soll. Dabei liegt die Herausforderung bei der Erweiterung des Projektes, indem statt einer einfachen Animation, der Projektor zur Signalisierung der Fahrtrichtung bzw. Navigation dienen würde.

Youtube-Video

Das für dieses Projekt entstandene Video kann unter der folgenden URL abgerufen werden. YouTube-Link

Weiterführende Links

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