Microcontroller-Projekt ITT11 - cyber-physische Systeme

Diese Übung begleitet dich über mehrere Blockwochen hinweg bis zum Ende des Abschnitts Microcontroller. Lies die Angaben auf dieser Seite aufmerksam durch und kontrolliere von Zeit zu Zeit, ob du noch alle wichtigen Punkte auf dem Schirm hast.

Im Rahmen dieses Projekts soll für eine fiktive Kundenanforderung prototypisch ein CPS-Sensor/Aktor gebaut werden. Durch das Projekt soll die Machbarkeit und Einsatztauglichkeit des geplanten Sensor-Aktor-Produkts nachgewiesen werden, um im Erfolgsfall einen Fertigungsauftrag für eine Kleinserie zu vergeben oder eine weitere Iteration mit einem verbesserten Prototyp anschließen zu können. Fehlschäge sind dabei ebenso zu dokumentieren wie Verbesserungsvorschläge über den Endzustand des Prototyps hinaus, sofern sich diese im Verlauf des Projektes abzeichnen.

• Das Microcontroller-Projekt ist in Teams zu 2 (in Ausnahmefällen 3) Personen durchzuführen.
• Jedes Team verfasst eine eigenständige Dokumentation. Die Dokumentation wird zum Ende des Projekts mit einer mündlichen Note bewertet.
• Die Auswahl des Projektgegenstandes obliegt im Rahmen der Vorgaben und Möglichkeiten den Teammitgliedern.

Das Projektteam ist frei in der Gestaltung des Prototypen, solange er den hier gemachten Vorgaben und Anforderungen entspricht:

• Der Prototyp ist auf Basis eines ESP-Microcontroller-Boards anzufertigen. Zur Verfügung stehen Boards mit ESP8266- oder ESP32-Chip.
• Der Prototyp muss eine Netzwerkverbindung per WLAN herstellen.
• Der Prototyp muss über das MQTT-Protokoll Nachrichten mit dem Node-RED-Server austauschen.
• Auf dem Node-RED-Server muss eine Verarbeitung stattfinden, in der die Sensordaten des Prototypen mit einfließen und die direkt oder indirekt Einfluss auf die Aktorsteuerung des Prototypen hat.
• Der Prototyp muss mindestens einen Sensor verwenden, dessen Eingaben direkt oder indirekt auf dem Node-RED-Server verarbeitet werden.
• Der Prototyp muss mindestens einen Aktor verwenden.
• Die Entscheidung über das zu verwendende Board sowie zu verwendende Sensor- und Aktorkomponenten ist nach der Verfügbarkeit der Geräte zu richten und nötigenfalls mit den anderen Teams abzustimmen.

• Zielgruppe: Die Dokumentation ist so zu verfassen, dass eine fachkundige Person, die sich auf ähnlichem Niveau wie die Verfasser der Dokumentation befindet, die Dokumentation verstehen kann.
• Die Dokumentation muss die folgenden Teilaspekte abdecken:
  • eine kurze Projektbeschreibung
  • die Projektplanung
  • die Realisierung des Projekts mit gewonnenen Erkenntnissen und Entscheidungen
  • Projektabschluss mit Fazit oder Ausblick auf die nächste Prototypeniteration
• Die Dokumentation ist nicht nur im Hinblick darauf zu erstellen, dass zum Ende des Projekts eine Übergabe an den fiktiven Auftraggeber erfolgen kann. Alle Teammitglieder sind während des gesamten Projektverlaufs dafür verantwortlich ihre Erkenntnisse, Tätigkeiten und Planungen so zu dokumentieren, dass das Team weiterhin arbeitsfähig bleibt, auch wenn ein Teammitglied vorübergehend, z. B. krankheitsbedingt, ausfällt.
• Der Umfang der Dokumentation kann abhängig davon, wie viel Bildmaterial und ggf. Code-Auszüge für die Darstellung verwendet werden, um einige Seiten schwanken. Ein grober Richtwert kann bei 4 bis 7 Seiten liegen.

Für die praktische Umsetzung steht folgendes Material in unterschiedlicher Stückzahl zur Verfügung:

• Boards
  • Microcontroller-Board „NodeMCU“ mit ESP8266-Chip
  • Microcontroller-Board mit ESP32-Chip
  • Microcontroller-Board mit ESP32-Chip, LoRa-Modul und OLED-Display
  • Microcontroller-Board „ESP32-Cam“ mit ESP32-Chip und Kameramodul
• Sensoren
  • PIR-Bewegungsmelder
  • LDR-Helligkeitssensor
  • Temperatursensor
  • kombinierter Temperatur- und Luftfeuchtesensor
  • Ultraschall-Entfernungsmesser
  • RFID-Chipkartenleser
  • Amperemeter
• Aktoren
  • Schrittmotor
  • Motor-Servo / Schranke
  • Relais mit Lüfter
  • NeoPixel-Mehrfarben-LED
  • verschiedene LEDs
• Anzeigegeräte
  • LCD-Display
  • OLED-Display

Die hier aufgelisteten Beispiele dienen als Anregungen für den Entwurf einer eigenen Projektidee und sind nicht als Einschränkung oder verpflichtende Vorgabe zu verstehen.

• Automatisches Öffnen und Schließen der Außenrollos im Verwaltungsgebäude je nach Anwesenheit, um unnötige Verwendung der Beleuchtung zu vermeiden, sofern die aktuelle Sonneneinstrahlung und Außentemperatur dies erlauben.
  • Die Anwesenheit kann mit Hilfe eines PIR-Bewegungsmelders ermittelt werden.
  • Die Außenrollos können durch einen Schrittmotor dargestellt werden.
  • Sonneneinstrahlung und Außentemperatur stehen durch LoRaWAN-Sensoren per MQTT zur Verfügung.
• Aktivierung der Lüftungsanlage zur Kühlung eines Netzwerkraums in Abhängigkeit von Innen- und Außentemperatur, sofern die Temperaturdifferenz zur Außenluft ausreichend ist.
  • Die Innentemperatur kann mit einem Temperatursensor ermittelt werden.
  • Die Schaltung der Lüftungsanlage kann mit einem Relais und einem Lüfter dargestellt werden.
  • Die Außentemperatur steht durch LoRaWAN-Sensoren per MQTT zur Verfügung.
• Automatisches Schwenken eines Scheinwerfers an der Verladerampe in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Verladerampe und Fahrzeug, sofern es sich um ein GPS-getracktes, firmeneigenes Fahrzeug handelt.
  • Der Abstand kann mit Hilfe eines Entfernungsmessers ermittelt werden.
  • Das Schwenken des Scheinwerfers kann mit einem Schrittmotor dargestellt werden.
  • Die GPS-Position der Firmen-LKW steht durch die LoRaWAN-Sensoren über MQTT zur Verfügung.
• Automatisches Öffnen der Schranke an der LKW-Zufahrt, wenn ein firmeneigener, GPS-getrackter LKW einfahren möchte. Als Fallback-Option soll ein RFID-Token genutzt werden können.
  • Das Vorhandensein eines Fahrzeuges kann durch einen Helligkeitssensor erfasst werden.
  • Die Zufahrtsschranke kann durch ein Motor-Servo oder eine Miniatur-Schranke dargestellt werden.
  • Die GPS-Position der Firmen-LKW steht durch die LoRaWAN-Sensoren über MQTT zur Verfügung.