Model eines Inkubators(Brutkasten) für Neugeborene mit einer Überwachungsfunktion

Autoren: Olga Ruhe, Robert Leidig
Betreuer: TBD

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Einleitung

Bei dem vorliegenden Artikel handelt es sich um ein Projekt aus dem Praktikum Angewandte Elektrotechnik des Studiengangs Business and Systems Engineering (BSE) aus dem Wintersemester 2022/2023. Das Ziel dieses Projektes ist ein einfaches Model eines Inkubators für Neugeborene mit einer Überwachungsfunktion.

Anforderungen

Tabelle 1: Testbare, atomare Anforderungen

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1.0	Für die Überwachungsfunktion sollen die folgenden Werte aufgenommen werden: Temperatur, Feuchtigkeit, Lautstärke,Gewicht.	Olga Ruhe	04.10.2022	Robert Leidig	04.10.2022
1.1	Alle aufgenommenen Werte sollen mittels eines Displays angezeigt werden.	Olga Ruhe	04.10.2022	Robert Leidig	04.10.2022
2.0	Die aufgenommenen Werte (IST-Werte) sollen mit SOLL-Werten verglichen werden.	Olga Ruhe	04.10.2022	Robert Leidig	04.10.2022
2.1	Mittels eine LED Lampe soll angezeichnet werden, ob die Werte im grünen oder roten Bereich liegen.	Robert Leidig	04.10.2022	Olga Ruhe	04.10.2022
3.0	Mit Hilfe eines Gassensors soll ermittelt werden, ob Windel gewechselt werden muss.	Robert Leidig	04.10.2022	Olga Ruhe	04.10.2022
3.1	Die Empfehlungen sollen auf dem Display angezeigt werden.	Robert Leidig	04.10.2022	Olga Ruhe	04.10.2022
0.1.0	Optionale Erweiterung: Zusätzlich ab gewisser Lautstärke vom Baby-Schreien kann das Baby-Weiße-Rauschen als Ton abgespielt werden, um das Kind zu beruhigen.	Olga Ruhe	04.10.2022	Robert Leidig	04.10.2022

Funktionaler Systementwurf

Funktionaler Systementwurf Inkubator

Mit dem funktionalen Systementwurf werden die wesentlichen Funktionen dargestellt. Die Unterteilung wird in diesem Fall in drei Schritte eingeteilt. Im ersten Schritt befindet sich die "Eingabe". Hier werden die Sensor Daten eingelesen. Diese werden im zweiten Schritt verarbeitet. Bei diesem Projekt werden die Daten mit zuvor definierten Soll Werten verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs werden im dritten Schritt durch ein Bildschirm sowie LED Lampen visualisiert.

Technischer Systementwurf

Technischer Systementwurf Inkubator

Im Gegensatz zum funktionalen Systementwurf werden im technischen Systementwurf die Komponenten definiert bzw. genannt. Der obigen Grafik können die Modellbezeichnungen der verwendeten Sensoren entnommen werden. Die Sensor Daten werden von einem Arduino Uno Mikrocontroller verarbeitet und die Ergebnisse im Anschluss auf einem LCD Bildschirm angezeigt.

Komponentenspezifikation

Die Komponenten des Systems werden in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2: Komponentenspezifikation

ID	Komponente	Eingangsparameter	Ausgangsparameter	Aufgabe	Struktur
001	Temperatursensor	Umgebungstemperatur (Analog)	Temperatur als Byte Datenpaket	Messen der Temperaturen innerhalb des Inkubators	Hardwarekomponente
002	Feuchtigkeitssensor	Feuchtigkeitswerte (Analog)	Feuchtigkeitswerte als Byte Datenpaket	Messen der Feuchtigkeit innerhalb des Inkubators	Hardwarekomponente
003	Lautstärkesensor	Lautstärkewerte (Analog)	Lautstärkewerte als Byte Datenpaket	Messen der Lautstärke innerhalb des Inkubators	Hardwarekomponente
004	Gewichtssensor/ Drucksensor	Gewichtswerte (Analog)	Gewichtswerte als Byte Datenpaket	Messen des Gewichts des Kindes	Hardwarekomponente
005	Gassensor	Gaswerte (Analog)	Gaswerte als Byte Datenpaket	Messen der Methangaskonzentration innerhalb des Inkubators	Hardwarekomponente
006	Mikrocontroller	Byte Datenpakete der Sensoren	Startbefehl für Sensoren und Signale für LCD & LEDs	Systemsteuerung durch Datenverarbeitung	Hardarekomponente
007	LCD & LEDs	Signale vom Mikrocontroller	----	Gibt visuelles Feedback der Sensoren wieder	Hardwarekomponente
008	Steuerungsprogramm	Byte Datenpakete mit Sensordaten	Ansteuerung für ID 007	Berechnet die Differenz der Soll/IST Werte. Je nach Ergebnis gibt ID 007 Hinweismeldungen aus.	SOftwarekomponente

Hardware

Stückliste

ID	Anzahl	Kosten in €	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Beschreibung	Datenblatt	Abbildung
001	1x	4,79€	Temperatur und Feuchtigkeitssensor	DHT11	Der Sensor misst Temperatur und Feuchtigkeitswerte innerhalb des Inkubators. Hierdurch kann überprüft werden, ob das Neugeborene der richtigen Temperatur und Feuchtigkeit ausgesetzt ist.	[[]]	[[]]
002	1x	6,99€	Lautstärkesensor	LM393	Der Sensor misst die Lautstärke im Inkubator. Hierdurch kann überprüft werden ob das Neugeborene schreit.	[[]]	[[]]
003	2x	10,54€	Kraft-/Drucksensor	RP-C10-ST	Der Sensor misst die Kraft, welche auf ihnen liegt. Hierdurch kann das Gewicht des Neugeborenen überprüft werden.	[[]]	[[]]
004	1x	5,30€	Gassensor	MQ2	Der Sensor misst die Konzentration von Methangas im Inkubator. Hierdurch kann überprüft werden, ob die Windel des Neugeborenen voll ist.	[[]]	[[]]
005	1x	41,99€	Mikrocontroller	Arduino Mega 2560	Der Mikrocontroller dient zur Steuerung des Systems.	[[]]	[[]]
006	1x	5,49€	LCD Display	HD44780	Das Display dient dazu, ein visuelles Feedback der Sensordaten aufzuzeigen.	[[]]	[[]]
007	2x	9,99 (Set-Preis)	LED	LED	Die LEDs (1x grün, 1x rot) dienen ebenfalls als visuelles Feedback, falls mindestens ein Sensowert aus dem Soll-Bereich fällt.	[[]]	[[]]
008	1x	5,94€ (Set-Preis)	Kabel	Male-Female Kabe (x-mal)...	Die Kabel werden benötigt, um die einzelnen Komponenten miteinander zu verbinden	[[]]	[[]]
009	1x	5,99€ (Set-Preis)	Breadboard	MB-102	Das Breadboard wird für die Verbindung der Sensoren benötigt.	[[]]	[[]]
010	1x	4,69€	Aufbewahrungsbox	Sunware Aufbewahrungsbox 3L (20x15x14 cm)	Die Aufbewahrungsbox dient als Inkubatorkasten.

Neben den genannten Bauteilen werden ebenfalls Werkzeuge und andere Materialien benötigt. Diese sind eine Schere und Klebstoff.

Verdrahtungsplan

(Bild einfügen von Fritzing)

Schaltplan

(Bild einfügen von Multisim)

Programmierung

Die Programmierung erfolgte mit Matlab Simulink und wird im nachfolgenden näher erläutert. Für die optimale Verwendung mussten für Simulink diverse Add-Ons installiert werden, welche dem nachfolgenden Bild entnommen werden können.

(Bild einfügen Add-On Manager mit den Add-Ons)

Das nachfolgende Bild zeigt das Simulink Modell

(Bild Simulink Modell einfügen)

In der linken Spalte des Modells befinden sich "Data Store Memory" Blöcke. Diese Blöcke werden genutzt, um die Sensordaten zwischen zu speichern. Jeder Sensor erhält dafür einen Block. Die mittlere Spalte besteht aus vier Subsystem Blöcken. Auch hier erhält jeder Sensor ein eigenes Subsystem. Auf die einzelnen Systeme wird im weiteren Verlauf noch eingegangen. Um basierend auf den Sensorwerten ein passendes visuelles Feedback auf dem LCD auszugeben, werden zwei weitere Subsysteme benötigt (eins für die obere Zeile des Displays und eins für die untere). Diese beiden Subsysteme enthalten die die Aussagelogik, um basierend auf den Sensorwerten das entsprechende Feedback auszugeben.

Subsystem Gassensor

(Bild einfügen vom Subsystem Gassensor) In diesem System wird der Gassensor eingestellt. Für den Gassensor wird der entsprechende Block verwendet. Durch einen Doppelklick auf den Block musste der Pin basierend auf dem Schaltplan auf 8 eingestellt werden. Über "Constant" Blöcke werden die Parameter des Gassensors eingestellt, welche dem Datenblatt entnommen werden können. Die Werte werden in eine nachgebaute map Funktion übergeben. Über einen "Data Store Write" Block, werden die Werte des Sensors in den entsprechenden "Data Store Memory" Block geschrieben und dort zwischengespeichert.

Subsystem Lautstärke

(Bild einfügen vom Subsystem Lautstärke) Ähnlich wie beim Gassensor wurde auch hier der Lautstärkesensor eingestellt. Hier wurde jedoch Pin 6 eingestellt.

Subsystem Temperatur/ Feuchtigkeit

(Bild einügen vom Subsystem Temperatur/ Feuchtigkeit) Dieses Subsystem ist etwas anders aufgebaut. Die Sensor Daten werden hier erneut über einen "Data Store Write" Block an die jeweiligen Memory Blöcke weitergegeben. Dabei ist der obere Ausgang des Sensorblocks ("H") der für die Feuchtigkeit und der mittlere für die Temperatur. Die Sensor Daten gehen jedoch ebenfalls in einen "If" Block. Hier werden die Werte Bereiche abgefragt. Wenn die Luftfeuchtigkeit größer als 50% ist oder die Temperatur außerhalb des Bereichs 36°C bis 37°C liegt, dann soll die rote LED leuchten, ansonsten die grüne. Das nachfolgende Bild zeigt das Subsystem für die rote sowie der grünen LED. (Bild einfügen Subsystem LED)

Subsystem Drucksensor

(Bild einfügen vom Subsystem Drucksensor)

Dieses Subsystem ähnelt wieder dem des Gassensors. Da hier jedoch zwei Sensoren zum Einsatz kommen, müssen auch zwei Sensoren eingestellt werden. Die Messwerte werden addiert und anschließend durch zwei geteilt um den Mittelwert zu erhalten. Das Ergebnis wird über einen "Data Store Write" Block erneut in den entsprechenden Memory Block übertragen.

Subsystem Line 1 und 2

(Bild einfügen der Subsysteme)

Dem obigen Bild kann die Aussagenlogik entnommen werden.

Literatur

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