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 werden, 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

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 dem Abschnitt „Anforderungsdefinition“ wurden verschiedene Anforderungen an das System festgelegt, die während der Projektbearbeitung erarbeitet müssen. Die Anforderungen gliedern sich unter anderem wie folgt: allgemein, Sensoren und Aktoren, Aufbau und Messung, Software und Schnittstellen und zu guter Letzt 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

Abnahmetest

Test-Artikel des Projekts " Smart-Home" WiSe 22/23. Die Intelligente Automatiesierung im Haus wird getestet. Dafür werden die zu übertragendenden Daten wie das Pc-Worx Projekt über Pheonix Contact AXC 1050 geschickt sowie die Code für die Ansteurung des Servo, RFID, und Bewegungsmelder über Arduino Uno geschickt. Der Abschnitt Testfall lässt sich über den Knopf "Ausklappen" anzeigen.

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

Bezeichnung: SmartHome
Erstellt von: Namen
Erstellt am: 4.01.2023
Testinstanz: PC/Versuchsaufbau/AXC 1050/Arduino Uno und Komponenten

Schritt Nr.	Beschreibung	Ausgangszustand	Aktion(en)	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Bemerkung
Precondition 1	PC und Daten vorbereiten	PC ist aus, Kabel nicht eingesteckt	Start des PCs	Der PC ist a, die Anlage betriebsbereit, Update SVN Arbeitskopie (Pfad: https://svn.hshl.de/svn/MTR_GPE_Praktikum/trunk/Fachthemen/SmartHome/WS_22_23/)	PC ist an, SVN-Ordner " SmartHome WS_22_23" ausgecheckt	i.O.
Precondition 2	Phoenix Contact AXC 1050 hochfahren	Anlage ist aus	Netzteil anschließen, Schalterknopf betätigen	Anlage ist betriebsbereit, SPS-Status ist auf grün (siehe Ergebnis)
Precondition 3	Arduino Uno hochfahren	Mikrocontroller ist aus	USB-Kabel vom Anschließen	Anlage ist betriebsbereit, Arduino Uno blinkt	...	...	...
Precondition 4	Hausvorbreitung SUB-D Stecker	Terminal Block ist nicht SUB-D verbunden	SUB-D Kabel vom Anschließen	Anlage ist betriebsbereit	...	...	...
Testschritt 1	SmartHome Programm öffnen.	Anlage ist betriebsbereit	Ordner Entwicklung klicken, SmartHome SPS öffnen	PC Worx Arbeitsbereich geöffnet (siehe Ergebnis)		i.O.
Testschritt 2	Steuerung neu starten	Anlage ist betriebsbereit	Arbeitsbereich „Busaufbau“ markieren, IP 192.168.0.14 wählen. Gerätdetails klicken, den Reiter erweiterte Einstellung wählen und Steuerung neu starten.	Steuerung neu gestartet (siehe Ergebnis)		...
Testschritt 3	Projekt neu erzeugen	Anlage ist betriebsbereit	Wechsel zum IEC-Programming Plattform, wähle Main, und danach wieder Main. Unter Code Projekt neu erzeugen	Projekt neu erzeugt, 0 Fehler (siehe Ergebnis)		...	...
Testschritt 4	Projekt automatischer Betrieb	Anlage ist betriebsbereit	wähle den Button Ausführung (siehe Ergebnis), und danach rücksetzen, dann senden und kalt ausführen.	Projekt läuft, Temperatur und Feuchtigkeit gemessen, Lüfter schaltet an, wenn die Temperaturwert > 12000 oder Feuchtigkeitswert> 11000. Wenn nicht, gehe zu Schritt 5.		...	...
Testschritt 5	Projekt manueller Betrieb	Anlage ist betriebsbereit	Bestätige den Schalter 1 und 2, um im manuellen Betrieb zu wechseln.	Projekt läuft, Lüfter schaltet an.		...	...
Testschritt 6	Echtzeit Online Werte ansehen	Anlage ist betriebsbereit	Wähle den Button Online und Debug durchführen.	Projekt läuft, online Werte wird angezeigt.		...	...
Testschritt 7	Anwesenheitserkennung	Anlage ist betriebsbereit	Wähle den Ordner Entwicklung und Arduino_SmartHome auf Arduino Uno hochladen.	Projekt läuft, Licht wird angeschaltet, Anwesenheit erkannt.		...	...
Testschritt 7	Türmechanismus	Anlage ist betriebsbereit	Halte der blauen Laserkarte ein paar Sekunden vor RFID	Tür wird automatisch nach auslesen und nach 5 Sekunden automatisch wieder schließen		...	...
Postcondition 1	Anlage AXC 1050 und Arduino Uno herunterfahren	Anlage läuft	Schaltknopf ausschalten, Arduino USB vom PC nehmen.	Temperatur und Feuchtigkeitswert = 0, SPS aus (alle LEDs aus), Netzteil aus		i.O.
Postcondition 2	PC herunterfahren	PC läuft	SmartHome Ordner schließen, Software PC-Worx, Arduno IDE schließen,...	PC aus	PC aus, Daten in SVN gesichert	i.O.