Smart Home: Belüftung, Anwesenheitserkennung und Lichtalarm bei Hausklingeln eines Modellhauses mithilfe einer Phoenix Contact AXC 1050 SPS

Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer

Wintersemester: 2021/2022

Fachsemester: 7

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Haus

Einleitung

Im Rahmen des Produktionstechnik-Praktikums im siebten Semester des Studiengangs Mechatronik soll ein mechatronisches System mithilfe einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) realisiert werden. In diesem Projekt soll ein Smart-Home entwickelt, welches die automatische Wohlfühltemperatur im Haus regelt, sowie durch eine intelligente Methode die Tür automatisch öffnet. In der Abbildung 1 sieht man die Skizze des Smart-Home.

Aufgabenstellung

Das Ziel des Projekts ist, ein Wohnhaus mit Sensoren und Aktoren intelligent zu gestalten. Dabei sollten für die Bearbeitung des Projekts folgende Punkte beachtet werden:

• Recherche nach möglichen Automatisierung in einem Haus machen
• Entscheidungsmatrix erstellen für die Auswahl von geeigneten Sensoren und Aktoren
• Temperaturen und Feuchtigkeiten messen
• Die Ansteuerung des Hauses per Phoenix Contact-SPS AXC 1050

Nach der Recherche nach möglichen Automatisierung in einem Haus haben wurden entschieden, diese Unterprojekte zu erarbeiten. Die Nutzwertanalyse lässt sich hierzu finden.

• Beleuchtung
• Automatische Wohlfühltemperatur-Reglung
• Anwesenheitserkennung
• Tür inkl. Schließmechanismus
• Belüftung des Hauses
• SUB-D Stecker
• Belüftung des Hauses

Vorgehensweise nach V-Modell

Abbildung 2: V-Modell

Das Projekt wird nach dem V-Modell durchgeführt, das eine lineare Vorgehensweise zur Projektbearbeitung ermöglicht, um ein strukturiertes Vorgehen bei Planung und Bearbeitung des Projekts zu gewährleisten. Link zu den Dokumenten lassen sich hier finden.

Anforderungsdefinition

In der Phase der Anforderungsdefinition haben wir alle spezifischen Anforderungen an das System gesammelt, die das Projekt erfüllt soll. Die Anforderungen für dieses Projekt gliedern sich in folgende Punkte: Geometrie & Gewicht,Vorgehen,Aufbau,Schnittstellen, Software/ Werkzeuge und Dokumentation. Die Anforderungsliste für das Projekt lässt sich hier wiederfinden.

Tabelle 1: Anforderungen an das Smart-Home

ID	Anforderung
1	Allgemein
1.1	Es muss eine Recherche nach mögliche Automatisierung gemacht werden
1.2	Eine automatische Wohlfühltemperatur-Reglung muss entwickelt werden
1.3	Entscheidungsmatrix für Feuchtigkeits- und Temperatursensoren muss erstellt werden
1.4	Ein Terminal Block und Stecker muss gebaut werden, um die Verbindung zwischen Haus und Phoenix-Contact durch einen Kabel zu realisieren
1.5	Frontplatte muss neu erstellt werden, um das Haus schöner zu gestalten
1.6	Es muss ein RFID-Leser gebaut werden
1.7	Mechanismus zur Anwesenheitserkennung muss entwickelt werden
1.4	Eine Tür inkl. Türmechanismus muss entwickelt werden
1.5	Frontplatte muss neu erstellt werden, um das Haus schöner zu gestalten
1.6	Eine Benutzeroberfläche muss programmiert werden
2	Sensoren und Aktoren
2.1	Bewegungsmelder muss für die Anwesenheitserkennung verwendet werden.
2.2	Feuchtigkeitssensor(HIH-4000-001) muss für die Innenfeuchtigkeit-Messung verwendet werden.
2.3	Temperatursensor (10K NTC) muss für die Innentemperatur-Messung verwendet werden.
2.4	Servo Motoren müssen für die Öffnung und Schließung der Tür und Fenster verwendet werden.
2.5	Axiallüfter muss für die Belüftung des Smart-Home verwendet werden.
3	Aufbau und Messung
3.1	Es muss eine Projektplanung erstellt werden.
3.2	Ein Konzept für den Hausaufbau muss erstellt werden.
3.3	Die Frontplatte muss in SolidWorks konstruiert und anschließend gefräst werden
3.4	Die Tür muss in SolidWorks konstruiert und 3D gedruckt werden.
3.5	Die Verkablung muss beschriftet sein.
3.6	Das Fenster sowie die Tür müssen automatisch geöffnet und geschlossen werden.
3.7	Feuchtigkeits- und Temperaturmessung von innen muss gemacht werden
4	Schnittstellen & Software
4.1	Das Haus muss über Pc-Worx programmiert werden.
4.2	Das Smart-Home muss per Phoenix Contact AXC 1050 und Arduino Uno angesteuert werden.
5	Dokumentation
5.1	Detaillierte Dokumentation als Wiki-Artikel muss im HSHL Wiki geschrieben werden.
5.2	Die Dokumentation muss Schritt für Schritt erklärt und nachvollziehbar sein.

Funktionaler Systementwurf

Der in Abb. 3 abgebildete Systementwurf gibt einen kleinen Überblick über die Sensoren und Aktoren, sowie ihre entsprechenden Funktionen im System. Der Phoenix Contact AXC 1050 spielt die Hauptrolle in dem System. Auf einer Seite befinden sich die Temperatur- und Feuchtigkeitssensor, auf der anderen Seite befinden sich die Axiallüfter, welche für die Belüftung verwendet werden. Daneben befinden sich ein Mikrocontroller und zwei Servo Motoren, Bewegungsmelder und RFID-Leser, die über den Mikrocontroller angesteuert werden. Unten befindet sich eine Benutzeroberfläche, welche die Ansteuerung der Komponenten darstellt. Der funktionale Systementwurf lässt sich hier

Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf hat denselben Aufbau wie der Funktionale Systementwurf, im Gegensatz zu dem funktionalem Systementwurf werden hier die Verbindungen(Die Signalart: digital/analog, Input/Outpout) zwischen den einzelnen Komponenten genau definiert (siehe Abbildung 3). Zum technischem Systementwurf gelangt man hier

Abbildung 4:Technischer Systementwurf

Abnahmetest

Test-Artikel des KOM - KOmmunikation Teams Sprint WiSe 22/23. Die in der OSE Softwareumgebung beinhaltendende Kommunikation wird getestet. Dafür werden die zu übertragendenden Daten wie das Spurpolynom oder Lidar-Objekte über RS232 an die dSPACE Karte DS1104 geschickt.

Testfall

Verwendete Daten

Hier wird alles aufgelistet inkl. Datum/Versionnummer, was zur Ausführung des Testfalls notwendig ist. SVN-Projektarchiv: XY in Version 12345 Wikiartikel: XY vom 22.12.2022 Benötigte Software: XY in Version XY

Der Testfall im Detail

Die Tabelle zu den Testfällen lässt sich über den Knopf "Ausklappen" anzeigen.

Bezeichnung: Bezeichnung des Testfalls
Erstellt von: Namen
Erstellt am: Datum
Testinstanz: PC/Versuchsaufbau/Prototyp XY/Prüfstand XY...

Schritt Nr.	Beschreibung	Ausgangszustand	Aktion(en)	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Bemerkung
Precondition 1	PC und Daten vorbereiten	PC ist aus, Kabel nicht eingesteckt, lokale Daten veraltet	Start des PCs, Update SVN Arbeitskopie (Pfad: XY) Revision 1234	Der PC ist hochgefahren, die Anlage betriebsbereit und alle benötigten Dateien aus dem SVN Repository sind lokal gespeichert	PC ist an, SVN-Ordner "XY" ausgecheckt in V1234	i.O.
Precondition 2	Anlage hochfahren	Anlage ist aus	Schalter XY betätigen, Druck an Anschluss XY auf XYbar aufdrehen	Anlage ist betriebsbereit, Druckanzeige zeigt 6bar, SPS-Status ist auf grün (siehe LED XY)	Anlage ist betriebsbereit, Druckanzeige zeigt 6bar, SPS-Status ist auf grün (siehe LED XY)	i.O.
Precondition 3	...	...	...	...	...	...	...
Testschritt 1	Druckzylinder 1 ausfahren	Anlage ist betriebsbereit	Schalter XY betätigen	Zylinder fährt aus und meldet "XY" Beispiel-HMI-Bild		i.O.
Testschritt 2	...	...	...	...	...	...	...
Postcondition 1	Anlage herunterfahren	Anlage läuft	Druckluft an XY abdrehen, Netzteil am Schalter XY ausschalten	Druckluft = 0bar an Anzeige XY, SPS aus (alle LEDs aus), Netzteil aus	Druckluft = 0bar an Anzeige XY, SPS aus (alle LEDs aus), Netzteil aus	i.O.
Postcondition 2	PC herunterfahren	PC läuft	Daten in XY speichern, Software XY schließen,...	PC aus, Daten in XY gesichert	PC aus, Daten in XY gesichert	i.O.
Postcondition 3	...	...	...	...	...	...	...