Physical Computing oder

Messen, Steuern Regeln mit dem Arduino und Raspberry Pi

Eine Einführung in Arduino mit Funduino - Arduino lernen leicht gemacht

Kurzübersicht über die Aufgaben, Schaltungen und Programmcodes als
Vorbereitung für die Arduino-Projekte!

 

 

Arduino Projekte

 

Diese Projekte wurden unter dem Thema "Smart Home" und "Smart Mobility" im Rahmen des Informatikunterrichts erstellt. 

 

 

- Navigation -

Gruppe 1

 

 

Gruppe 2

 

 

Gruppe 3

 

 

Gruppe 4

 

 

Gruppe 5

 

 

Gruppe 6

 

 

Gruppe 7

 


 

Gruppe 1: Aaron, Jannis

 

Echtes Bild der Schaltung

Tinkercad-Schaltung

 

Echtes Bild 2 Echtes Bild 3

 

- Produktbeschreibung -

Unter dem Leitmotiv der “smarten Schule” haben wir uns einem ganz praktischen Problem angenommen, das jeden Tag sowohl Lehrern als auch Schülern erheblich Nerven kostet. In einem engen Raum mit annähernd 30 Schülern ist es kein Wunder, dass der Lärmpegel oftmals stark ansteigt und so ein kooperatives Arbeiten fast unmöglich macht. Um langfristig und kontinuierlich ein angenehmes Lernklima für alle Beteiligten zu schaffen, haben wir eine Lautstärkeampel auf Arduino-Basis entwickelt, die durch eine einfache Visualisierung den Lärmpegel anzeigt und gegebenenfalls zu einem rücksichtsvolleren Verhalten auffordert.

 

Das Grundprinzip der Lautstärkeampel ist einfach erklärt und damit auch für jüngere Schüler gut verständlich. Über zwei Mikrofone misst die Ampel ständig den Lärmpegel und vergleicht diesen mit vorher eingestellten Grenzwerten. Ist die Lautstärke grenzwertig oder gar zu hoch, leuchten die LEDs gelb oder rot. Durch die Verwendung der intuitiv verständlichen Ampelfarben wird auf einen Blick deutlich, ob der Geräuschpegel zu hoch und damit das Lernklima in Ordnung ist. Die Ampel ist dazu aufgrund der Arduino-Basis äußerst kompakt, robust und gleichzeitig leicht reproduzierbar.

 

Bei der Lautstärkemessung setzen wir bewusst auf zwei Mikrofone. Diese sind in entgegengesetzte Richtungen gerichtet und können so den gesamten Klassenraum abdecken. Außerdem verringert sich durch das Bilden eines Durchschnittswertes die Fehleranfälligkeit und wir erreichen eine höhere Messgenauigkeit. Zudem lässt sich über ein eingebautes Potentiometer bequem die Empfindlichkeit der Ampel einstellen. So ist es natürlich klar, dass während einer Klausur eine andere Toleranzgrenze als in einer Sporthalle herrscht. Für solche Fälle lässt sich die Empfindlichkeit über den Drehregler einstellen, die Ampel wird dann früher oder später gelb bzw. rot.

 

Die gemessenen Werte und Ampelzustände werden dabei ständig im seriellen Monitor ausgegeben. Dies ist insbesondere zu Debug- und Protokollierungszwecken sinnvoll. Außerdem wird der Messpegel in Dezibel umgerechnet und ausgegeben. Hierbei sollte man aber beachten, dass die eigentlich logarithmische dB-Skala bei der Umrechnung näherungsweise als linear betrachtet wird. Auch aufgrund der eher niedrigeren Mikrofon-Qualität und der fehlenden genauen Adjustierung zu Vergleichspegeln sollte die Angabe mit Vorsicht genossen werden und nur zu groben Orientierungszwecken dienen.

 

Bei der Entwicklung und Umsetzung der Lautstärkeampel mussten wir einige Herausforderungen meistern. Gerade die Lärmpegel-Messung mittels der Mikrofone machte anfangs Probleme. Leider liefern diese aufgrund ihrer eher niedrigen Qualität nur sehr grobe Ergebnisse; für ein noch genaueres und umfassenderes Bild müsste man hier auf bessere Messtechnik setzen. Trotzdem konnten wir Probleme wie eine anfangs nur sehr unzureichende Erkennung von Geräuschen durch dynamische Messintervalle lösen und letztendlich einen zufriedenstellenden Zustand erreichen.

Zudem mussten wir, verbunden mit der Implementation des Potentiometers, zunächst geeignete Umrechnungsformeln finden, um eine an alle Erforderlichkeiten anpassbare, aber dennoch ausbalancierte Anzeige der Lautstärke durch die LEDs zu gewährleisten.

 

Insgesamt haben wir so eine kompakte, an alle Bedürfnisse anpassbare Lautstärkeampel geschaffen, die trotz niedriger Mikrofonqualität eine relativ geringe Fehleranfälligkeit aufweist.

 

ZUM QUELLCODE

 


 

Gruppe 2: Sasha, Alexandra, Anastasia

Echtes Bild der Schaltung

Tinkercad-Schaltung

 

- Produktbeschreibung -

 

Mit diesem Projekt kann man eine Batterie auf ihre Volt-Leistung testen. Wenn die Batterie voll ist, leuchtet die grüne LED. Bei einer mittleren Leistung leuchtet die gelbe Led und wenn die Batterie leer ist, leuchtet die rote.

 

ZUM QUELLCODE

 


 

Gruppe 3: Nils, Erik, Cedric, David

 

Echtes Bild der Schaltung

Tinkercad-Schaltung

 

- Produktbeschreibung -

Unser Ziel der Projektarbeit war es, den Begriff „Smarthome“ aufzugreifen und zu verwirklichen. Aus diesem Grund haben wir eine Schaltung auf Arduino-Basis entwickelt, die das Nachhausekommen im Dunkeln erleichtert. Dazu verwendeten wir einen Bewegungsmelder, eine LED und einen Servomotor. Wenn der Bewegungsmelder eine Bewegung registriert, geht die LED über der Tür an und der Servomotor wird angesteuert. Dieser dreht sich nun um 90° und öffnet somit zum Beispiel das Türschloss. Der Bewohner kann einfach ins Haus eintreten. Nach einer kurzen Zeit schließt das Türschloss wieder und das Licht erlöscht.

 

ZUM QUELLCODE

 


 

Gruppe 4: Frederik, Oskar

 

Echtes Bild der Schaltung (Data-Logger)

Tinkercad-Schaltung

 

 

 

Echtes Bild 2 Echtes Bild 3

 

- Produktbeschreibung -

Die Entwicklungen im bereich des Smart-Home zählen wohl zu den wichtigsten unserer Zeit. Immer mehr intelligente Geräte und diverse Assistenzsysteme füllen diesen neuen Bereich aus.

Eines jedoch ist für ein Smart-Home System unerlässlich: Daten.

Jeder Aktion die von Steuerungselektronik autonom ausgeführt wird liegen Berechnungen und Analysen von Daten zu Grunde.

In unserem Projekt geht es darum mithilfe einer mobilen Erfassungsstation für Umgebungsdaten auf Arduino-Basis eine flexible Datengrundlage für Smart-Home Systeme zu schaffen.

 

Um wenige Sensoren möglichst effektiv zu nutzen haben wir beschlossen diese mithilfe eines Ferngesteuerten Rovers mobil zu machen.

 

Langfristig soll dieser Rover autonom innerhalb von Gebäuden von Raum zu Raum fahren um immer dort Messwerte zu erfassen, wo sie gerade gebraucht werden.

Das verwenden des Open-Source Standard des Arduino hat zudem den Vorteil, dass die verwendeten Sensoren nahezu beliebig ausgetauscht und erweitert werden können. So kann man die Sensoren die von den verschiedenen Systemen des Smart-Home Systems benötigt werden einfach hinzufügen und funktionsuntüchtige bzw. zu ungenaue Sensoren ersetzen.

Auch die Reproduzierbarkeit des Projektes und die Anpassung an individuelle Systeme wird durch das verwenden der Open-Source Technologie stark vereinfacht.

 

Im Rahmen unseres Projektes haben wir beschlossen zunächst ein manuel Ferngesteuertes Fahrzeug zu Bauen, welches mithilfe von Sensoren GPS-, Temperatur-, und Lichtdaten aufnimmt und inklusive eines Zeitstempels auf einer SD-Karte speichert.

 

ZUM QUELLCODE (Data Logger)

ZUM QUELLCODE (Adeept Motor)

 


 

Gruppe 5: Katharina, Lina, Niklas

 

Echtes Bild der Schaltung

Tinkercad-Schaltung

 

 

 

Tinker Bild 2

 

- Produktbeschreibung -

Unser Programm erleichtert das Parken in einer Garage. Betritt man die Garage geht aufgrund eines Bewegungsmelders ein Licht an. Die Einparkhilfe funktioniert so, dass die Entfernung, zum Beispiel, zur Wand angezeigt wird. Verwenden lässt sich die mobile Einparkhilfe mit jedem Fahrzeug, also beispielsweise auch mit Autos die noch keine eingebaute Einparkhilfe besitzen.

 

ZUM QUELLCODE

 


 

Gruppe 6: Rick, Viona

 

Echtes Bild der Schaltung

Tinkercad-Schaltung

 

 

- Produktbeschreibung -

Das Projekt besteht aus einer Notfall-Ampelschaltung für den Ludgerikreisel in Münster, um die Durchfahrt dessen für Einsatzkräfte aller Art zu erleichtern und zu verschnellern wird. An jeder Kreisverkehrseinfahrt steht eine Rot-Gelb-Ampel, sodass je nachdem aus welcher Richtung sich Einsatzkräfte nähern, die Ampeln aller anderen Richtung, per Schiebeschalter in der Verkehrszentrale, sich erst auf "gelb" und dann auf "rot" schalten lassen. Dies soll innerhalb der Zeit geschehen, während die Einsatzkräfte noch in der Anfahrt sind, damit, wenn Sie ankommen, ihre Einfahrt und der Kreisel selber leer sind.

 

ZUM QUELLCODE

 


 

Gruppe 7: Lars, Julius, Youn

 

Echtes Bild der Schaltung

Tinkercad-Schaltung

 

Echtes Bild 2 Echtes Bild 3 Echtes Bild 4 3D Modell

Video 1

 

Video 2

 

- Produktbeschreibung -

Unser Ziel war es Blinden den Alltag zu erleichtern, indem wir eine Ergänzung zum Blindenstock entwickeln. Uns fiel auf, dass sich mit einem Blindenstock nur Hindernisse auf dem Boden erfassen lassen. Um dieses Problem zu lösen, haben wir im Rahmen unseres Informatikunterrichts mithilfe eines „Arduino Uno“ eine Art Abstandsmelder gebaut und programmiert.

Dieser besteht aus einem „Arduino Uno“, einem Breadboard, einem Akku, einem Piezo-Lautsprecher, einer kleinen LED (welche für einen Blinden zwar irrelevant ist, jedoch für unsere Testzwecke äußerst praktisch), einem Ultraschallsensor und einigen Kabelverbindungen.

Unser Projekt funktioniert folgendermaßen: Der Ultraschallsensor erkennt Hindernisse, indem er alle 2 Millisekunden eine Ultraschallwelle lossendet. Wenn kein Hindernis innerhalb von 5 m vorhanden ist, wird kein Messwert zurückgegeben. Wir haben außerdem eine serielle Kommunikation eingerichtet, mit der man die Messwerte in cm auf dem Seriellen-Monitor ablesen kann. Befindet sich nun ein Hindernis, innerhalb der 500-cm-Reichweite, werden die Messwerte aufgezeichnet. Wenn der aufgezeichnete Wert unter 150 cm liegt, fängt das Gerät an zu piepen. Je näher ein Gegenstand/Hindernis kommt, desto schneller piept der Lautsprecher (ähnlich wie bei einer Einparkhilfe).

Man kann unseren Abstandsmesser an jeder gewünschten Position (am besten auf dem Kopf) anbringen, sodass man nun durch unser Projekt vor Hindernissen im Alltag und auf der Straße gewarnt wird. In Kombination mit einem Blindenstock, wird unser Projekt vor allem beim Spazieren gehen praktisch, wenn zum Beispiel Äste auf Kopfhöhe über dem Gehweg hängen sollten. Aber auch drinnen macht sich unser Abstandsmesser gut, um durch Türen oder um Ecken zu laufen. Innerhalb des Schulgebäudes bewies sich das Projekt auch in der Praxis. Es ist zu beachten, dass der Tester nicht körperlich erblindet ist, sondern sich die Augen verbunden hat. Der Tester konnte erfolgreich mit verbundenen Augen Türen und Wänden ausweichen (siehe Video).

Treppen erwiesen sich jedoch als problematisch. Hier ist es dringend notwendig, unseren Abstandsmesser mit einem Blindenstock zu kombinieren. Um dieses Problem zu lösen, hatten wir die Idee einen Drehregler einzubauen, mit welchem man die Entfernung des berücksichtigten Messbereichs vergrößern kann um auch Hindernisse wie Treppen, blind meistern zu können. Durch das Ausbleiben eines Signals beim Richten des Sensors auf den Boden wäre der Anwender gewarnt, dass abwärts führende Stufen vor ihm wären.

Zusätzlich haben wir ein Gehäuse (3D Drucker) für den Arduino entwickelt, damit dieser nicht frei liegt. Jedoch müsste man für die Befestigung eine bessere Lösung finden.

 

ZUM QUELLCODE

 

 

Weitere Arduino Projekte:

 

 

  • Die aqsensor-Box. Beschreibung, 3D Case, Platinenbestückung und Code können nach "Jugend forscht" angefordert werden. Für weiteren Kontakt schicken Sie uns eine Mail über die Schulhomepage.
    Sensor Box
  • Drehbuchbeispiel "Melodien mit Arduino" zu einem Lehr- und Lernvideo zum Arduino Uno

 

  • weitere Projekte unter Projektkurse / besondere Lernleistungen