Smart Home System mit Mikrocontrollertechnik Arduino und Raspberry

So wie in der Industrie „Industrie 4.0“ in aller Munde ist, so ist es beim trauten Heim das Thema „Smart Home“. Gemeint ist hierbei das Vernetzen unterschiedlicher Funktionen im Haushalt. Darunter fallen z.B. Beleuchtung, Heizungsregelung oder Rollladensteuerung. Ziel ist es meist die täglichen Abläufe zu automatisieren, Energie effizienter zu nutzen und die Wohn- und Lebensqualität zu erhöhen. Inzwischen ist der Markt für Smart Home Produkte ziemlich unübersichtlich geworden. Es gibt viele Hersteller und noch mehr Lösungen um die Automatisierungsaufgaben umzusetzen. Doch alle haben Sie eins gemein: Wer sein komplettes Haus automatisieren will muss tief in die Tasche greifen. Hier setze ich an – mit selbstgebauten Lösungen aus Mikrocontrollern bzw. Arduino und Raspberry Pi.

Im Rahmen meiner Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker habe ich für das Fach „Mikrocontrollertechnik“ dieses Thema als „kleine“ Projektarbeit gewählt. Es ist noch lange nicht fertig und wird auch Stück für Stück erweitert werden. Dennoch möchte ich euch heute schon einmal einen kleinen Einblick geben, was bisher entstanden ist. (Diese Onlinedokumentation wird nach und nach erweitert)

Der Hardwareaufbau erfolgt Großteils mit Arduinotypischen Komponenten. Ebenso wird der Code mit der Arduino Umgebung geschrieben.

Zielsetzung und Anforderungen

  • Einbau auch in Häusern möglich in denen kein BUS System wie z.B. KNX vorhanden ist
  • Einfacher Austausch der vorhandenen Elektroinstallation durch die entwickelten Smart Home Komponenten
  • „Look and Feel“ also das Aussehen und die Bedienbarkeit sollte denen kommerzieller Produkte nahekommen
  • Gehäuseteile mit 3D-Drucker herstellbar
  • Möglichkeit der Produktion einer Kleinserie

Allgemeiner Entwicklungsprozess der Smart Home Module

Bei allen Modulen des Smart Home Systems erfolgt die Entwicklung stufenweise.

Benötigte Komponenten ermitteln

Als erstes wurden Gedanken über die spätere Funktionsweise und die daraus benötigten Hardwarekomponenten angestellt. Anschließend wurde ein Prototyp auf dem Steckbrett realisiert, um die allgemeine Funktionsweise zu testen. Dieser Schritt ist wichtig, da hier sehr gut die Nutzbarkeit der Komponenten unter Beweis gestellt wird. Oft musste hier schon auf andere Hardware ausgewichen werden, da z.B. ein Temperatursensor zu ungenau oder die zur Verfügung stehenden Bibliotheken schlecht bzw. nicht ausgereift waren.

Schaltplan erstellen

Hat es der Hardwareaufbau über diese erste Alphaphase geschafft ging es daran den Schaltplan mit einer CAE Software zu erstellen. Verwendet wird hier EAGLE von Autodesk.
Der Schaltplan basiert auf der Minimalbeschaltung des in allen Modulen eingesetzten Mikrocontrollers ATmega328P. Die Zusatzkomponenten wurden nach den empfohlenen Hardwaredesignrichtlinien des jeweiligen Herstellers (im Datenblatt zu finden) an den Mikrocontroller angebunden.

Platinen entwickeln und fertigen

Die Platine wurde mit der gleichen Software unter Berücksichtigung mechanischer Gesichtspunkte entworfen und dann bei einem Leiterplattenhersteller gefertigt.

Platinen bestücken und löten

Da die meisten Bauteile wegen des Platzbedarfes als SMD (Surface Mounted Device = Oberflächenmontiertes Bauelement) gewählt wurden und sich diese nur schlecht/aufwendig von Hand löten lassen erfolgt das Löten mit dem Reflow-Lötverfahren.

Programm erstellen und auf den Mikrocontroller übertragen

Als erstes muss auf den fabrikneuen Mikrocontroller ein Bootloader mithilfe eines ISP-Programmes aufgespielt werden. Erst dann lässt sich über einen USB-zu-Seriell-Wandler das eigentliche Programm direkt aus der Arduino IDE flashen.

Hardwarewahl

Bei den einzelnen Modulen des Smart Home Systems werden zur Kosteneinsparung (Mengenrabatt) und zur Vereinfachung des Entwicklungsprozesses die gleichen Hardwarekomponenten verwendet (bei gleicher Funktion). Im Folgenden werden die Vorteile und damit die Wahl der entsprechenden Komponente aufgezeigt

Mikrocontroller „ATmega 328P-AU TQFP-32“:

ATMega 328P

Bildquelle: www.microchip.com

  • Standard-Mikrocontroller der meisten Arduino Boards (UNO, Mini, Nano etc.) -> Massenprodukt dadurch sehr günstig
  • Volle Unterstützung durch die Arduino Umgebung (Bootloader, Arduino IDE)
  • Genügend Speicher und Anschlüsse für die meisten Module

Miniaturnetzteil „Mean Well IRM-01 3.3“:

MeanWell IRM-01 3.3

  • Sehr niedriger Eigenverbrauch und gute Effizienz (66%) (<0,075W) -> Wichtig, da der Schalter rund um die Uhr am Netz ist
  • Printmontage bei kleiner Baugröße -> Direktmontage auf einer Platine, welche in eine Standardinstallationsdose passt
  • Weitbereichseingang von 85-305VAC bei 47-63Hz -> In allen Teilen der Welt verwendbar
  • Voll integriert -> Keine weitere Entwicklungsarbeit beim Netzteil nötig
  • Ausgangsspannung von 3,3V -> Gewählte Systemspannung für Mikrocontroller und Zusatzmodule

Funkmodul „HopeRF RFM69“:

Bildquelle: www.hoperf.com

• Sehr gute Bibliotheken für Arduino verfügbar -> Einfache Ansteuerung und Integration möglich. Verwendet wird die RFM69 Bibliothek von „LowPowerlab“
• Hohe Sendeleistung von maximal 20dBm -> hohe Reichweite
• Kompaktes SMD Package -> Geringer Platzverbrauch auf der Platine
• Betriebsspannung von 1,8V – 3,6V -> Optimal für gewählte Systemspannung von 3,3V
• Integrierte Packetengine für Synchronwort, CRC, Scrambling und AES-Verschlüsselung -> Wenig Aufwand beim Senden und Empfangen der Daten (Vor allem Hardwaremäßige Verschlüsselung der Funkkommunikation)

Relais „FINDER 36.11.9.003.4011“:

Relais Finder 36.11.9.003.4011

• Spulenspannung von 2,2-3,9VDC -> Direkt mit der verwendeten Systemspannung von 3,3V schaltbar
• Schalten von Netzspannung mit maximal 10A möglich -> Ausreichend für Deckenlampen (beim Funk-Wandtaster) und die meisten Elektrogeräte (Funk-Steckdose)
• Kompakte Bauart

Quarz 8MHz

Bildquelle: www.tme.eu

• Taktung des Mikrocontrollers mit 8MHz da dies laut Datenblatt die maximal mögliche Taktung bei einer Spannungsversorgung von 3,3V ist
• Stromersparnis durch langsameren Takt als z.B. 16MHz
• Genauerer Takt als der interne Takt des Mikrocontrollers

OLED Display 0.96″

Bildquelle: www.buydisplay.com

• Ideale Größe der Anzeigefläche (23,8×12,9 mm) passend für die (durchsichtige) Tasterwippe
• Auflösung von 128×64 Pixel -> Scharfe Darstellung der Zeichen und Symbole
• Niedriger Energieverbrauch
• OLED Technologie -> guter Kontrast, sowohl bei direkter Sonneneinstrahlung wie auch im Dunkeln

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