Projektbericht Your Home

1
Kurzinformationen
Berufskolleg Ostvest
Hans-Böckler-Straße 2
45711 Datteln
Projektteilnehmer
Kassandra Stangel
20.10.1998
DIT11A
Jan Sniehota
20.11.1999
DIT11A
Andre Wieczorek
24.9.1999
DIT11A
Verantwortlicher Lehrer
Ernst Schulz
2
Datenbank gestützte
Smart Home Installation
Das Smart Home System ist eines der neuesten und modernsten technischen
Entwicklungen und momentan in aller Munde. Es gibt unzählige Hersteller auf
dem Markt, welche aber alle ein Problem haben. Sie sind nicht miteinander
kompatibel und man ist somit immer an einen Hersteller gebunden. Unser
Konzept bietet die Möglichkeit, alle auf dem Markt gebotenen Sensoren in einem
Netzwerk miteinander zu verknüpfen. Zu den Sensoren zählen z.B.
Temperatursensoren,
Bewegungssensoren,
Fernbedienungsfunktionen,
schaltbare Steckdosen, Infrarot LED´s und viele mehr. Durch die zentrale
Verwaltung aller Sensordaten und Steuerungszustände innerhalb einer
Dantebank ist man in der Lage komplexe Zusammenhänge für die intelligente
Steuerung zu nutzen. Zur Steuerung der Sensoren werden Mikrocontroller
verwendet, welche kontinuierlich arbeiten. Durch diese bekommt der Nutzer die
Möglichkeit, via Website oder Android App alle Komponenten zu steuern und zu
verwalten. Im Zentrum unseres Projektes befinden sich eine Datenbank und ein
Webserver, die mittels eines komplexen Netzwerkes mit allen Geräten verbunden
sind. Dadurch eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten. Hierzu zählen
ferngesteuerte Funksteckdosen, Lichterketten, Haushaltsmaschinen oder auch
jegliche Elektrik in und um das Haus. Der Nutzer kann dann von der Arbeit sowie
von unterwegs jederzeit auf sein Zuhause zugreifen, alles einsehen und
kontrollieren. „Your-Home“ ist einfach zu installieren und benutzerfreundlich
gegenüber unerfahrenen Nutzern. Durch die Komplexität und die Vielfältigkeit
des Projektes umfasst es viele verschieden Bereiche der Informatik, von
Elektrotechnik über Netzwerktechnik bis hin zur Programmierung von Mobil- und
Webapplikationen.
3
Anlass
Der Anlass unseres Smart Home Projektes ist, dass es diverse Smart Home
Anbieter auf dem Markt gibt, wodurch der Benutzer sich an eine Marke binden
muss. Damit meinen wir, dass man mit diesen Produkten nur bestimmte oder
hauseigene Produkte bzw. Marken in das Smart Home mit einbinden kann. Zum
einen gefällt dies dem Nutzer nicht immer und zum anderen kann es auch teuer
werden. Damit punktet „Your Home“, denn mit unserem System kann man
beliebige Hersteller einbinden und somit nur die Produkte kaufen, denen man als
Nutzer vertraut und die man kennt. Durch die ständige Überwachung der
elektronischen Geräte wird zudem Strom gespart und unsere Umwelt geschützt.
Des Weiteren ist die Smart Home Szene sehr reizvoll für uns gewesen, da wir mit
Hilfe dieses Projektes verschiedene Bereiche im Unterricht verbinden konnten
und uns so gleichzeitig in vielen Abschnitten der Informatik einarbeiten konnten.
Von der technischen Seite hatten wir den Anlass besprochen ein System zu
entwickeln, bei dem im Mittelpunkt eine Datenbank steht, mit der alle Bauteile
verbunden sind und man diese flexibel bearbeiten kann. Uns war es wichtig, dass
jeder, der unser System benutzt, es individuell für sich einrichten kann, um so den
für sich optimalen und vollen Funktionsumfang genießen zu können. Außerdem
war es für uns essenziell, dass wir etwas erschaffen haben, was selbst nach dem
Wettbewerb noch Entwicklungschancen hat.
Ein weiterer Grund für die Entwicklung von „Your-Home“ ist, dass wir etwas
erschaffen wollten, was unabhängig von Behinderungen und Einschränkungen
genutzt werden kann. „Your-Home“ setzt nämlich keinerlei technische Kenntnisse
voraus, was das Projekt offen für jeden macht. Es ist daher auch möglich älteren
Leuten den Umgang und die Pflege mit ihrem Haus zu erleichtern und ihnen bei
alltägliche Aufgaben im Haus zu helfen. Dazu zählt z.B. das Licht ausmachen, falls
man es vergessen hat, durch Kameras sehen, wer vor der Tür steht oder die
Fenster schließen.
Letztendlich war es uns wichtig die Steuerungselemente so zu entwickeln, dass
sie einfach von jedem zu bedienen sind, um so Missverständnisse und Probleme
gegenüber jedem Menschen zu umgehen.
Durch „Your-Home“ haben sich drei verschiedene Menschen zu einer Sache
zusammengeschlossen um ein gemeinsames zukünftiges Ziel zu verfolgen,
nämlich die Technisierung und Modernisierung des Eigenheims zu erreichen.
4
Ziele
Alle Ziele die wir uns bis zur Präsentation gesetzt hatten konnten wir rechtzeitig
erfüllen. Wir haben ein komplettes Netzwerk aufgebaut, welches alle
Komponenten miteinander vernetzt. Wir haben eine Datenbank geschaffen,
welche alle Steuerbefehle und Sensordaten verarbeitet und speichert. Der
Raspberry Pi agiert hierbei als Basis für den von uns installierten Webserver,
Datenbank und Fileserver. Wir sind in der Lage von stationären, als auch mobilen
Endgeräten alle Smart-Home Elemente zu steuern und zu verwalten.
Dazu haben wir die angekündigte App Programmiert und zugleich noch eine
komplette Homepage erschaffen, wodurch wir in der Lage sind von überall im
Haus die Kontrolle über die Elektrik und Co. zu behalten. Der Raspberry Pi
übernimmt
zum
einen
die
ganzen
Kommunikationswege
und
Steuerungseinheiten, zum anderen ist er auch dank seinen StreamingFähigkeiten für das Entertainment im Wohnzimmer zuständig. Alle diese
Funktionen sind dank der App und der Homepage sehr komfortabel zu benutzen
und für jedermann verständlich.
Dank einer Internetanbindung können wir auch von Außerhalb unser SmartHome System verwalten. Dank Infrarot Empfängern sind wir in der Lage jede
Fernbedienung von elektronischen Geräten auszulesen und sie somit durch unser
System zu ersetzen. Über Mikrocontroller ist der „Your-Home“ Benutzer in der
Lage sämtliche Sensoren und Sender zu benutzen. Dazu zählen die bereits
genannten Wetter Sensoren, Fernbedienungen, Lichterketten, Lampen und viele
weitere Elektrogeräte.
Schlussendlich haben wir ein System aufgebaut, welches alle erhältlichen
Sensoren auf dem Markt einbinden kann und dank künstlicher Intelligenz und
weiterem Ideeneinfluss noch sehr viel Potenzial zur Weiterentwicklung hat.
5
Verlauf
Am Anfang des Projektes war es nur ein Temperatursensor, welcher Daten über
eine serielle Schnittstelle – in dem Fall ein Arduino Uno – ausgegeben hat.
Dies haben wir soweit erweitert, dass wir zur Ausgabe einen LCD Monitor
genommen haben, welcher die Ausgaben dann übernommen hat. Nach
Absprache mit dem Team und unserem Lehrer haben wir uns überlegt, die
Temperaturen in einer MySQL-Datenbank zu speichern - mit Hilfe eines EthernetShields - damit sie von jedem Endgerät aus abgerufen werden können.
Mithilfe der Datenbank haben wir dann angefangen das System zu erweitern. Die
erste Aufgabe war eine App bzw. eine Website zu erstellen, welche einfach die
Temperatur von der Datenbank empfängt und darstellt. Nachdem wir dies
gemacht hatten, versuchten wir neue Sensoren hinzuzufügen.
Der nächste Schritt war der Luftfeuchtigkeitssensor, welchen wir zu der
Datenbank hinzugefügt und mit dem Arduino verbunden haben. Nun war es uns
möglich, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit über eine Web – und
Mobilapplikation abzurufen und in einer Datenbank zu speichern.
Nach der Kick-Off Veranstaltung und den dort erkämpften 500€ Startgeld haben
wir uns mit unserem Mentor zusammengesetzt und die weiteren Schritte
besprochen.
Folgend haben wir die benötigten Materialien für den weiteren Projektablauf
gekauft wie z.B. Arduinos, Funksteckdosen, Raspberry Pi, PoE Switch, RFID Chips,
LED Lichterketten und vieles mehr.
Im Zuge dessen haben wir damit begonnen die Funksteckdose in das System zu
integrieren. Mithilfe der Entwicklungsumgebung des Mikrochips und der PHP
Skripte haben wir die Funksteckdosen mit der App und der Website verbunden
und die Steuerungselemente integriert.
Die LED Steuerung haben wir ähnlich integriert, nur dass man in dem
Steuerungsmodul verschiedene Farben und Farbmuster steuern und abspielen
kann. Die App wurde und wird auch in der Zukunft mit der
Entwicklungsumgebung Android Studio programmiert. Letztendlich haben wir die
Datenbank, die Website und alle PHP – Skripte auf dem Raspberry Pi gespeichert,
um das komplette Projekt noch flexibler und zentraler zu gestalten.
Per File Sharing laufen die Entwicklungen zwischen den verschiedenen
Computern problemlos und zuverlässig im Team ab, da alle mit den gleichen
Daten arbeiten. Bei den weiteren Schritten werden wir uns auf das Design und
die Benutzerfreundlichkeit konzentrieren und weitere zusätzliche Funktionen
implementieren.
6
Hinweise zu der
Verwendung im Schulunterricht
Dieses Projekt ist eine hilfreiche und große Bereicherung im Schulunterricht, da
es verschiedene Themen aus dem Schulunterricht behandelt und nicht viel kostet.
Zum einen gibt es die Grundlagen der Elektrotechnik, die wir bei „Your-Home“ für
die Komponenten und deren Funktionsfähigkeit brauchen. Damit z.B. der
Infrarotempfänger die verschiedenen Signale für die LED Steuerung bereitstellen
kann, braucht es Kabel und Lötverbindungen.
Des Weiteren gibt es den Bereich der Datenbanktechnik. Zu diesem Bereich
gehört hauptsächlich die zentrale My – SQL Datenbank, welche der Mittelpunkt
unseres Projektes ist. Diese muss konfiguriert, bearbeitet und gepflegt werden,
damit „Your-Home“ zu 100% funktionsfähig bleibt.
Ein weiterer Aspekt, der behandelt wird, ist die Programmierung. In diesem
Bereich werden die verschiedensten Programmiersprachen verwendet, zum
einen C++ und C für die Mikrochips, PHP und SQL für die Datenbank, Java für die
Android App und HTML und CSS für die Webprogrammierung bzw. das
Webdesign.
Die Mikrocontroller Technik gehört ebenfalls zu einem von den Bereichen, die
innerhalb dieses Projektes behandelt werden. Hier geht es darum, den Arduino
Uno sowie den Raspberry Pi so zu programmieren und umzubauen, dass
verschiedenste Probleme damit gelöst werden können und man ihn für unser
Smart Home System einsetzen kann.
Ein ebenfalls nicht zu unterschätzender Bereich ist das Linux Servermanagement
auf dem Raspberry Pi. Hierzu muss ein komplexer Linux Server aufgesetzt werden,
welcher eine Datenbank, Webserver und einen FTP Server (File Sharing Dienst)
beinhaltet. Dabei müssen dem Raspberry Pi jegliche Programmiersprachen
beigebracht werden.
Ein genau so wichtiger Teil ist die Netzwerktechnik, ohne die unsere einzelnen
Komponenten keine Verbindung miteinander aufbauen könnten. Die App und die
Datenbank hängen somit im selben Netzwerk, wodurch sie Daten untereinander
tauschen können und so die einzelnen Dienste zur Verfügung stellen.
Abseits der Entwicklung entwickelt man sich bei diesem Projekt natürlich auch
menschlich weiter. Es muss ein Team aufgebaut werden, was nicht nur in der
Schule, sondern auch in der Freizeit gerne an dem Projekt arbeitet. Probleme, die
in der Schule nicht gelöst wurden, mussten als Hausaufgaben mit nach Hause
genommen werden oder in einer Gruppe behandelt werden, um sie schnell und
effizient zu lösen.
7
Ergebnisse
Die Ergebnisse, die wir bis zum jetzigen Zeitpunkt erreicht haben, übertrafen alle
unsere Erwartungen, da wir alles geschafft haben, was wir bis zur finalen
Präsentation schaffen wollten. Natürlich sind wir mit diesem Ergebnis noch nicht
am Ende von „Your-Home“, aber die grundlegenden Funktionen sind
fertiggestellt.
Wir haben eine funktionierende App und Website, welche Temperatur und
Luftfeuchtigkeitsdaten von einer kleinen Wetterstation und Temperatursensoren
darstellen können. Es ist möglich mit beiden Applikationen neben
Funksteckdosen auch Lichterketten zu steuern und die Farben bzw. Farbmuster
zu ändern. Dies ermöglicht es jedes elektrische Gerät zu steuern
(Kaffeemaschine). Dank RFID sind wir bald in der Lage ein digitales Türschloss mit
Hilfe von Türöffnungschips, wie man sie aus Hotels kennt zu betreiben. Diese
werden wir in „Your-Home“ einbauen und so die programmeigene Intelligenz
steigern.
Wir haben eine bestehende und stabile Datenbankstruktur erschaffen, welche
eine konstante Verbindung zwischen allen Bauteilen herstellt und die Daten
speichert, um sie von Endgeräten später abzurufen.
Dank einer bestehenden Netzwerkstruktur kann unsere Website, sowie unsere
App mit dem Internet kommunizieren. Das Beste an unserem System ist die
Möglichkeit sich aus der Ferne in sein Zuhause einzuloggen. Dies gibt einem die
Möglichkeit alle Funktionen die man auch Zuhause nutzen kann, auch von
Unterwegs zu nutzen.
In der folgenden Fotostrecke werden wir Ihnen unsere Ergebnisse kurz
präsentieren und Ihnen einen ersten Eindruck davon geben, was wir geschafft
haben. Schlussendlich wurde das ganze Projekt von Grund aus selber
programmiert und alle Bilder und Icons die Sie entdecken können sind von
unserer ehemaligen Design Expertin erstellt worden.
8
„Your-Home“ Komponenten
In Verbindung mit dem Router und dem
Raspberry Pi ist das Grundlegende
Netzwerk schon einsatzbereit. Die App
kann somit auf alle PHP Skripte und
Daten zugreifen, die sie benötigt. Alle
Komponenten befinden sich im gleichen
Netzwerk, damit jedes Bauteil mit
jedem kommunizieren kann.
Der Raspberry dient als zentrale
Schnittstelle, die alle Befehle und Daten
verwaltet und verteilt. Auf ihm liegen die
Website, die Datenbank und der
Webserver. Außerdem die PHP Dateien
die, die gewünschten Aktionen
ausführen. Er wird ganz simpel per LanKabel an den Router angeschlossen.
Der Raspberry Pi wird über eine SSH
Schnittstelle administriert, welche an die
alten DOS Zeiten erinnert. Über diese
werden alle Pakete und Updates
eingespielt. Für die Administration
werden umfangreiche Linuxkentnisse
benötigt.
Die Sensoren werden als Informationsund Datenquelle an den Arduino Uno
angeschlossen und über das Ethernet
Shield in das Netzwerk gespeist. Somit
werden die App und die Website mit
relevanten Informationen versorgt.
9
Per Infrarot LED können alle möglichen
Infrarot Empfänger
angesprochen
werden. Dazu gehören Lichterketten,
Fernbedienungen oder auch Roboter.
Die Infrarot LED wird hier wie die
Sensoren direkt an den Arduino Uno
angeschlossen und erhält ihre Befehle
direkt über das Ethernet Shield.
In „Your-Home“ können alle auf dem
Markt erhältlichen Funksteckdosen
eingebunden werden und per App oder
Website von Zuhause oder Auswärts
gesteuert werden. An diese können
Elektrogeräte wie Kaffeemaschinen
Lampen
oder
auch
Motoren
angeschlossen werden.
Die Funksteckdosen werden wie die
Fernbedienung auch über einen Sender
angesprochen. In diesem Fall ist es ein IC
Sender, welcher auch direkt mit dem
Arduino und dem Ethernet Shield
verbunden ist. Er hat eine Reichweite
von bis zu 10 Metern und muss nicht
direkt auf die Funksteckdosen zeigen.
Zu „Your-Home“ gehört eine selbst
programmierte und designte Website.
Die alle Funktionen übersichtlich
darstellt.
Dafür
werden
die
Programmiersprachen HTML und CSS
benötigt.
Der Raspberry Pi übernimmt hier die
Aufgabe ,alles im Netzwerk sichtbar zu
machen. Für die Funktionen werden
POST und GET Formulare an passende
PHP Skripte geschickt.
10
Die eigens programmierte und entwickelte Android App wurde mit der
Entwicklungsumgebung Android Studio umgesetzt und basiert auf der
Programmiersprache Java. Um die neusten Entwicklungen live zu sehen und zu
testen kann man mit der benutzten Entwicklungsumgebung sein Handy via USBKabel mit dem PC verbinden und mithilfe der neuesten Android Version die App
begutachten. Die App kommuniziert über PHP Skripte mit der Datenbank und
dem Internet, um die benötigten Daten zur Verfügung zu stellen.
Nach dem letzten Entwicklungsstand ist die App in der Lage Temperaturdaten
darzustellen, Funksteckdosen zu steuern, Radiosender über den Raspberry Pi zu
streamen bzw. zu ändern und die Farbe bzw. die Farbmuster von Lichterketten zu
ändern. Um die App bei sich Zuhause zu benutzen muss man sein Handy lediglich
mit demselben WLAN Netzwerk verbinden wie das „Your-Home“ System und
schon kann man alle Funktionen in vollem Umfang benutzen.
Die Kenntnisse zur App Entwicklung mussten wir uns innerhalb des Projektes von
Grund auf selbst beibringen. Mithilfe von Foren, Büchern und Tutorials haben wir
uns alles selbstbeigebracht und Probleme im Team gelöst.
11
12
Aussichten
Unser Ziel ist es, an dem Projekt auch nach dem Wettbewerb weiter zu arbeiten
und es weiter zu entwickeln.
Momentan ist unsere eigens entwickelte App weder im App Store noch im Play
Store verfügbar. Dies wollen wir nach dem Wettbewerb ändern. Die App soll
kostenlos im Play Store verfügbar sein, sodass jeder sie sich zu jedem Zeitpunkt
herunterladen kann um so mit „Your-Home“ zu beginnen.
Zurzeit ist das System nur auf Android verfügbar, jedoch ist eines unserer Ziele,
es auch auf iOS zu veröffentlichen, um noch mehr Leute zu erreichen und sie von
unserem Projekt zu begeistern.
Des Weiteren ist es in Planung, die App und die Website noch leichter in der
Bedienung und besser in der Benutzerfreundlichkeit zu machen. Unser Plan ist es
uns auf das wesentliche in der Bedienung zu konzentrieren und die App
komplexer durch z.B. Elemente der Sprachsteuerung zu machen. Durch Plug &
Play wird die Implementierung neuer Elemente für uns und den Nutzer einfacher
und benötigt keinerlei Vorkenntnisse. Ebenfalls in Entwicklung ist eine künstliche
Intelligenz, die sich z.B. die Muster der betätigten Lichtschalter merkt oder die
Uhrzeiten der Türöffnung, diese in einen Algorithmus einarbeitet und so das Haus
dementsprechend auf die Rückkehr des Bewohners vorbereitet und Lichtmuster
abspielt, wenn der Bewohner im Urlaub ist, um unerwünschte Besucher
fernzuhalten. Außerdem haben wir eine erhöhte Datensicherung in Aussicht, um
die Daten der Nutzer zu schützen.
Ein weiterer Aspekt wäre die Kooperation mit Firmen wie z.B. Strom – und
Gasanbietern, Mobilfunkanbietern, Hausvermietungen und Smart-Home
Anbietern. Mithilfe dieser Firmen könnte die App an Reichweite gewinnen und
neue Entwicklungschancen herbeirufen. Diese Firmen könnten dieses Produkt
z.B. in Kundenwohnungen integrieren und neue Ideen für Implementierungen
schaffen oder im Falle von anderen Smart Home Anbietern ein Netzwerk aus den
Anwendungen schaffen, in dem die Systeme miteinander agieren.
Dazu wäre es möglich, „Your-Home“ nicht nur in Privatwohnungen einzubauen,
sondern auch in Firmen oder Veranstaltungsunternehmen zur Lichtsteuerung
und zum Strommanagement. Außerdem könnte die Temperaturdatenbank auch
die Lichtfarbe je nach Wetteralge, Stimmung und Temperaturen steuern.
Über längere Zeit gesehen wäre in Betracht zu ziehen, dass Häuser oder auch
ganze Siedlungen extra für „Your-Home“ beim Bau ausgestattet werden, sodass
man den besten Funktionsumfang von Anfang an genießen kann.
13
14