Projektabschluss: Forschungsseminar Teil 1

Hallo,

nach knappen fünf Monaten komme ich endlich wieder mal zu einem Blogeintrag. In dieser Zeit hat sich viel getan bei mir: Mein Studium schreitet Richtung Studien- und Masterarbeit voran, gelegentlich arbeite ich an meinen IoT-System, wozu ich wohl auch mal wieder einen Eintrag verfassen werde, und seit November bin ich zudem stolzer Autobesitzer. :)

Den Blog habe ich in letzter Zeit leider etwas vernachlässigt. Das möchte ich heute ändern, denn im Rahmen meines Studium galt es ein Forschungsseminar über zwei Semester durchzuführen. Dieses hat mich viel Zeit gekostet, was auch einer der Gründe für den kahlen Blog ist. In diesem Eintrag möchte ich erst einmal grundsätzlich beschreiben, was das Forschungsseminar ist und was wir im ersten Semester an Konzeptionsarbeit geleistet haben. In einem späteren Eintrag wird die Umsetzung im zweiten Semester behandelt.

Zum Forschungsseminar

Das Forschungsseminar ist eine Pflichtveranstaltung meines Studiengangs (Mikrotechnik/Mechatronik). Der Sinn ist die Arbeit an einem Projekt von der Idee, über die Planung, bis zur Umsetzung. Dafür sollte zunächst von jedem Studenten eine Projektidee erarbeitet werden, welche in kurzen 3-Minuten Vorträgen vorgestellt werden mussten. Aus diesen wurden dann die besten ausgewählt und jeweils vier Personen zugeteilt, unter welchen sich natürlich jeweils der Ideengeber befand. Mein Vorschlag war ein nachrüstbarer Antriebssatz für "Klemmfix"-Rollläden, welcher glücklichweise auch ausgewählt wurde. Als Budget standen uns, wie jeder anderen der insgesamt 10 Gruppen auch, 400€ bereit.

Unser Projektlogo

Projektidee und Anforderungen

Die Grundidee meines Projektes ist, dass es elektrische Rollläden quasi nur fest eingebaut gibt. Grade unter uns Studenten sind jedoch die günstigen "Klemmfix"- Rollläden verbreitet. Für diese gibt es jedoch keinerlei Möglichkeit eines elektrischen Antriebs.

Im Projekt sollte also ein Prototyp entwickelt werden, welcher diese Funktionalität nachrüstet. Dabei ist zu beachten, dass es für diese Art von Rollläden viele verschiedene Hersteller gibt, deren Systeme untereinander leicht abweichen. Der Prototyp muss von daher an die verschiedenen Systeme anpassbar sein und auch mit verschiedenen Breiten und Längen funktionieren.

Aus elektrischer Sicht sollte ein Antrieb, sowie eine Positions- und Umgebungslichterkennung realisiert werden. Dafür ist natürlich ein Mikroprozessor erforderlich. Dieser sollte neben der Steuerung des elektrischen Systems auch eine "smarte" Funktionalität ermöglichen. Für uns bedeutete dies, dass das System Zeit- und auch Lichtgesteuert verfahren werden kann. Gleichzeitig ist eine manuelle Steuerung vorzusehen.

Um das System einzurichten und manuell zu verfahren, sollte außerdem eine Android-App entwickelt werden. Diese sollte aber nicht für den reinen Betrieb benötigt werden, der Mikroprozessor musste also auch unabhängig von der App arbeiten können.

Konzeption

Auf Basis dieser selbst auferlegten Vorgaben entwickelten wir im ersten Semester Konzepte und Pläne zur Umsetzung. Während der Rest des Teams sich um die mechanische Auslegung und um die App kümmerte, beschränkte sich mein Aufgabenbereich auf die elektrische Entwicklung, sowie die Mikroprozessor-Programmierung.

Da der Mikroprozessor mit einem Smartphone kommunizieren sollte, wählte ich zunächst den mir wohlbekannten ESP8266 als Startpunkt aus. Zum Antrieb wusste ich bereits aus dem Studium wusste, dass ein Schrittmotor wohl die ideale Wahl wäre. Trotzdem musste ich mich tiefer mit Schrittmotoren befassen, da im Studium leider nicht vermittelt wird, wie diese in Systeme zu integrieren sind. Schließlich entschied ich mich für einen Schrittmotor des Typs "28BYJ-48", nicht zuletzt auch auf Grund der Verbreitung und Verfügbarkeit und damit verbundenen Anleitungen und Tipps in diversen Foren. Da der analoge Eingang des ESP schon verwendet war -dazu gleich mehr- musste ich mich für die Lichtmessung nach einem digitalen Sensor umsehen. Letztendlich habe ich mich für den per I²C anschließbaren "TSL2561" auf einem Breakoutboard entschieden.

Um eine manuelle Bedienung auch ohne App zu ermöglichen, habe ich außerdem eine Tasterleiste vorgesehen, welche optional an das Antriebsmodul angesteckt werden kann. Diese enthält vier Taster, welche verschiedene Aktionen auslösen können. Elektrisch gesehen, ist diese Leiste ein Widerstandsnetzwerk, welches über ein Zweidrahtsystem an das Antriebsmodul angesteckt wird. Über die Auslegung dieses Systems hatte ich damals schon einen Eintrag verfasst.

Schaltplan des Systems

Von informatischer Seite waren die in der Konzeption festgelegten Anforderungen umzusetzen. Um meinen Teammitgliedern, welche die App programmieren sollten, die Integration zu vereinfachen habe ich parallel zur Mikroprozessorprogrammierung eine C++-Bibliothek erstellt, welche die gesammte Kommunikation übernimmt und eine JNI-API zur Verfügung stellt. Dadurch konnte ich die hardwarenahe Programmierung klar von der App-Programmierung trennen.

Neben meinen Konzepten entstanden während dieses Semesters durch die anderen Teammitglieder Konzepte für die App, für die Mechanik und den Demonstrator zur abschließenden Vorführung. Dazu möchte ich die beiden unten stehenden Bilder zeigen, welche den Abschluss der Konzeption in diesen Bereichen ganz gut wiedergeben.

Konzept des Demonstators mit drei Rollläden verschiedener Hesteller

Das Use-Case-Diagramm mit umzusetzenden Möglichkeiten

Damit möchte ich diesen Eintrag abschließen. Nach Erscheinen wird Teil 2 zur Umsetzung [hier] zu finden sein.