Hochsicherheitssafe: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 7. Februar 2021, 11:46 Uhr

Autoren:Viktor Mirosch, Daniel Schwarz, Maik Kleinspohn
Betreuer: Marc Ebmeyer

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Einleitung

Im Rahmen des Praktikums im Fach "Angewandte Elektrochtechnik" im Studiengang Business and Systems Engineering, soll ein Projekt erstellt werden. In diesem Projekt soll ein Sensor ein Signal empfangen, welches an einen Microcontroller weitergegeben wird, der dieses Signal verarbeitet. Im Anschluss gibt der Microcontroller ein Signal an den Aktor, der eine bestimmte Aktion durchführt.

Wir haben uns für einen Hochsicherheitssafe entschieden. Dieser lässt sich nur mithilfe einer Chipkarte und einem Code entsperren. Bei falscher Eingabe ertönt ein Alarmsignal, eine rote Diode leuchtet und der Safe bleibt geschlossen. Bei richtiger Eingabe erfolgt ein Kontrollpiepen, eine grüne Diode leuchtet und der Safe entsperrt sich.

Anforderungen

Steuerung durch Nummernfeld und RFID Chip
Code änderbar
Akustisches Signal bei jedem Tastendruck
Grünes Licht + einmaliges Piepen bei richtiger Eingabe
Rotes Licht + 3 sekündiger Alarmton bei falscher Eingabe
Öffnen und Schließen durch Servomotor
Schließen des Bolzens durch Taster im Safe

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Der Safe schließt mit einem Bolzen automatisch, sobald die Tür im Inneren des Safes einen Taster berührt. Entriegelt wird der Safe mithilfe eines RFID Chips und einem Code der im Tastenfeld eingegeben werden muss. Bei jedem Tastendruck des Bedienfelds gibt es ein kleines akustisches Feedback. Sobald der richtige Code eingegeben und der passende Chip vor den Sensor gehalten wurde, entsperrt der Bolzen mit einem akustischen Signal und eine grüne Diode leuchtet auf. Sollte entweder der falsche Chip oder der falsche Code eingegeben werden, bleibt der Safe geschlossen und es ertönt ein Alarmsignal und eine rote Diode leuchtet.

Der Code soll durch eine bestimmte Tasteneingabe am Bedienfeld änderbar sein.

Komponentenspezifikation

Anzahl	Name	Spezifikationen
1	Arduino Uno R3	Betriebsspannung: 5 V Eingangsspannung: 7 – 12 V Digitale Ein/Ausgänge: 14 (6 PWM) Analoge Eingänge: 6 Takt: 16 MHz
1	Servomotor TowerPro SG90	Drehmoment: 1,8 kg/cm Geschwindigkeit: 0,12 sek/60° Gewicht: 9 g Maße: 23 x 12,2 x 29 Pulsweite: 500 – 2400 µs
1	Tastenfeld Debo Test 4x3	Schnittstelle: 7 Pin Stiftkontakt Maße: 70 x 77 x 1 Kabellänge: 88 mm (mit Verbinder)
3	Widerstand	Widerstandswert: 100 Ω
3	LED (Grün, Gelb, Rot)	Wellenlänge: 700 nm Sperrspannung: 5 V
1	Piezo Speaker	Geräusch-Entwicklung: 85 db Resonanz-Frequenz: 2,3 kHz Spannung: 5 V
1	RFID RC522 Chipleser	Frequenz: 13,56 MHz Leseabstand: 0 – 60 mm Maße: 85,5 x 54 x 0,87
1	RFID RC522 Chip	IC Chip: MFRC522 Maße: 32 x 40,5 x 4,2
1	AC/DC Adapter LJH-186	Input: 100 – 240 V AC Output: 9 V DC 1 A

Umsetzung (HW/SW)

In diesem Abschnitt werden alle genutzten Software und Hardware Komponenten genauer betrachtet. Dabei geht es hauptsächlich um die Programmierung mit Arduino IDE, die Erstellung des Gehäuses mit dem "ANYCUBIC Chiron" 3D Drucker und dem Aufbau der Schaltung mithilfe des Arduino Uno Startersets.

Schaltungsaufbau

Das Arduino Uno Starterset liefert bereits viele wichtige Bauteile die für die Schaltung benötigt werden. Dazu gehören die LED's, die Widerstände, der Servomotor, der Buzzer und vor allen Dingen der Arduino Uno Microcontroller. Den RFID RC522 Chipsensor, den dazugehörigen Chip und das Nummernfeld mussten zusätzlich beschafft werden. Die folgenden Abbildungen zeigen die Schaltung für den Hochsicherheitssafe mit dem Programm "Fritzing" und mit dem Programm "Multisim". Durch die Fritzingdarstellung lässt sich ein Schaltplan erstellen, in dem die Schaltungsverbindungen und die Bauteile leicht nachzuvollziehen und zu verstehen sind, während Multisim sich auf die Fachgerechte Darstellung in einem Schaltplan spezialisiert. Um bei Multisim die Schaltung möglichst verständlich zu halten wurden der Microcontroller, das Nummernfeld und der Sensor vereinfacht dargestellt.

Beginnend mit dem Tastenfeld sehen wir, dass dieses an den Pins A 0 - A 5 & D 2 angeschlossen wurden. Den Schaltungsaufbau konnten wir durch Recherche ermitteln. Die Funduino Seite bietet hier eine Menge nützlicher Infos, aus der wir auch die Schaltung für das Nummernfeld umsetzen konnten. Für weitere Informationen stehen folgende Links zur Verfügung: Anschluss Tastenfeld (1)Anschluss Tastenfeld (2)

Um die gesamte Schaltung auf dem Arduino unterzubringen haben wir uns für die analogen Pins 0 - 5 statt den vorgegebenen digitalen Pins entschieden. Diese funktionieren genauso gut wie die digitalen Pins da für die Tasteneingaben kein digitales Signal benötigt wird.

Der genutzte Summer ist ein Piezzo Speaker. Dieser wurde an dem Pin D 4 angeschlossen, da der Summer ein sogenannter aktiver Buzzer ist und somit die Frequenz variieren kann. Um diesen anzusteuern und verschiedene Töne zu erzeugen wird der digitale Pin benötigt.

Die 3 LED's sind an den Pins D 5 - 7 angeschlossen. Um die LED's vor zu hohen Strömen zu schützen sind jeweils Widerstände mit 100 Ohm vorgeschaltet.

Der Servomotor ist das einzige Bauteil, welches eine höhere Spannung benötigt und ist deswegen mit der 5 Volt Quelle verbunden. Damit der Arduino wie gewünscht die Stellung des Motors bestimmen kann wird auch hier der digitale Pin D 3 genutzt. Weitere Informationen zum Aufbau findet man hier.

Das letzte Bauteil der Schaltung ist der RFID RC 522 Sensor. Wie auch beim Tastenfeld konnten wir sehr nützliche Quellen auf der Funduino Seite finden die den richtigen Anschluss des Sensors schilderten. Die genutzten Pins sind die digitalen Pins D 9 - 13. Für weitere Informationen steht der folgenede Link zu Verfügung: RFID Sensor

Um Platz zu sparen haben wir bewusst auf ein Breadboard für die Bauteile verzichtet. Dadurch kann der Platz innerhalb des Safes hauptsächlich für die Aufbewahrung von Dingen genutzt werden, während das Design des Safes trotzdem noch klein bleibt.

Programmierung

Zuerst haben wir bestimmt welche Position des Motors der Anfangszustand ist. Wir haben uns für eine Drehung auf die 180° Position entschieden, da so der Servomotor den Safe schließt sobald er an den Strom angeschlossen wird. Dadurch kann der Safe nicht ausgetrickst werden, indem man ihn kurz vom Strom nimmt. Die geöffnete Position liegt demnach bei der 90° Position. Im gleichen Schritt wurden noch die Pins für die 3 LED's festgelegt, die auf Pin 5-7 liegen.

Als nächstes haben wir das Nummernfeld deklariert. In diesem Schritt haben wir der Software zu verstehen gegeben, das unser Nummernfeld 3 Spalten und 4 Zeilen hat. Dadurch konnten wir dann für jede Taste einen Pin definieren. In diesem Schritt wurde auch das erste Passwort festgelegt, dass man später durch eine bestimmte Tastenkombination noch beliebig ändern kann.

Im folgenden Schritt findet die Deklaration des RFID Lesers statt. Um diesen zu deklarieren wurden 2 Libarys eingebunden die benötigt werden um den Sensor zu betreiben und die Pins 9 und 10 jeweils mit der Reset und der Auswahlleitung belegt. Nun überprüft die Software ob der Safe geschlossen ist und lässt die Rote LED leuchten, wenn sich der Zustand des Motors auf der Position geschlossen befindet.

Wird jetzt der richtige Chip dran gehalten, kann ein Code eingegeben werden. Der Scanner findet durch den Code auf dem Chip heraus, ob dieser der passende Schlüssel ist. Sollte dies der Fall sein leuchtet eine gelbe LED und das Passwort kann eingegeben werden. Sollten die Tastatureingaben mit den vorgesehenen variablen (dem festgelegten Passwort) übereinstimmen, öffnet sich der Safe, indem der Motor sich auf die Position geöffnet stellt und die grüne LED leuchtet. Wurde das Passwort falsch eingegeben leuchtet die Rote LED für eine kurze Zeit und ein Signalton ist zu hören. Anschließend findet ein neuer Versuch statt. Nach 3 falschen Eingaben springt die LED wieder auf Rot und man muss wieder den Chip vorhalten um das Passwort einzugeben.

Jetzt überprüft das Programm ob der Safe offen ist. Sollte dies der Fall sein leuchtet eine grüne LED. Mit der Raute Taste kann dieser dann geschlossen werden, indem der Motor wieder auf die geschlossene Position fährt. Um dem Safe einen neuen Code zuzuweisen, muss zuerst die Stern Taste gedrückt und der alte Code eingegeben werden. Bei richtiger Eingabe leuchtet die gelbe LED und ein neuer Code kann eingegeben werden.

Gehäuse

Die erste Überlegung beim Gehäuse galt dem zu verwendenden Material. Zuerst wollten wir den Safe aus Metall fertigen. Jedoch wäre dies ein sehr hoher Aufwand gewesen und da unser Projekt sich auf die Umsetzung des Microcontrollers und der Funktionen konzentriert, haben wir beschlossen das Material so zu wählen, dass der Hauptteil der Arbeit sich auf die Funktionen konzentrieren kann. Daher entschieden wir uns für die Nutzung eines 3D Druckes (ANYCUBIC Chiron) mit einem Kunststoff (PLA) Filament. Dieses erwies sich trotzdem als sehr Widerstandsfähig und ist für unseren Zweck das optimale Material. Zur Erstellung des 3D Modells für den Drucker wurden die Programme Fusion 360 und Ultimaker genutzt. Dabei haben wir uns das Programm selber näher gebracht und durch ausprobieren die erforderlichen Handgriffe erlernt.

Das Tresorgehäuse besteht aus 3 Komponenten. Die erste Komponente ist der Aufbewahrungskasten des Safe's. Die Größe die dieser haben soll wurde abgeschätzt, indem wir unsere Wertsachen zusammengelegt haben und um diese ein Gehäuse gezeichnet haben, sodass genug Stauraum vorhanden ist. Zusätzlich haben wir noch die Schaltung im inneren berücksichtigt und den Deckel für die Schaltung. Diese sollte verdeckt sein, sodass auch bei geöffnetem Safe niemand einfach so etwas an der Schaltung ändern kann. Um den Safe möglichst klein zu halten wurde, wie bereits in einem früheren Abschnitt erwähnt, auf ein breadboard verzichtet. Um die Schaltung mit Strom zu versorgen wurden hinten im Kasten noch ein Loch gebohrt um ein Kabel für den Microcontroller hindurch zu legen. Am Boden wurden 4 kleine Beine hinzugefügt, damit die Tür beim öffnen nicht über den Boden schleift. Die Tür schließt, indem der Motor den Arm vor den kleinen Schließmechanismus in der Mitte des Gehäuses fährt. In den folgenden Abbildungen sehen wir den Safe zusammengebaut.

Die Tür hat an der Vorderseite Aussparungen für die 3 verschiedenen Signal LED's. Zudem befindet sich darunter ein kleines Fenster für den RFID Sensor und ein Schlitz für die Verkabelung des Nummernfeldes. Dieses wird dann einfach auf den Tresor drauf geklebt. Links an der Tür ist noch ein kleiner Griff zu sehen, der das öffnen des Safe's erleichtern soll. Die Rückseite bietet Platz für den Arduino Microcontroller und die Schaltung. Um den Arduino zu befestigen befinden sich in der Mitte 4 Schraublöcher, die mit dem Lochbild auf dem Arduino übereinstimmen. Beim Fenster für den RFID Sensor befinden sich 4 weitere Schraubverbindungen um den Sensor zu befestigen. Die gesamte Schaltung ist umrahmt von einem Kasten, der passgenau darauf passt und an den Ecken angeschraubt werden kann. Für die Stromversorgung und für die Kabel des Servomotors befindet sich unter der Schaltung eine kleine Aussparung. Rechts an den beiden Armen mit Schraublöchern wird der Motor befestigt. Um die Tür mit dem inneren des Safe's zu verbinden, befinden sich links noch Angeln für die Tür die durch kleine Metallstäbe mit dem Gehäuse verbunden werden und so ein leichtes öffnen der Tür gewährleisten.

Komponententest

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

YouTube Video

Weblinks

Literatur