Höhere Technische Bundeslehranstalt Wien 3

HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT WIEN 3, RENNWEG 89B
Höhere Abteilung für Informationstechnologie
Höhere Abteilung für Mechatronik
Projektnummer:
3R IT 16 19
Wien, im September 2015
Antrag um Genehmigung einer Aufgabenstellung für die
DIPLOMARBEIT
Schuljahr:
2015/16
18
Anzahl Beiblätter:
„SMART GREEN HOUSE“
Thema:
Aufgabenstellung:
Ein Anzuchtbecken soll durch ein mechatronisches System so automatisiert werden, dass im Inneren immer die
optimalen Aufzuchtbedingungen für die Pflanzen herrschen. Zur Zielsetzung gehört das Selektieren und
Verbauen von geeigneten Sensoren und Aktoren zur Umsetzung des Regelungssystems. Hinzu kommt die
Entwicklung einer grafischen Bedienoberfläche, welche die Parametrisierung, einen manuellen Eingriff und das
Auslesen von Parameterwerten über das lokale WLAN erlaubt.
Kandidatinnen/Kandidaten:
Klasse
Individ. Betreuung
5BM
RND
5DN
HOR
5AM
FLK
Unterschrift KandidatInnen
Projektleiterin/Projektleiter
Maximilian Böhm
Stellv. Projektleiterin/Projektleiter
Stefan Buchberger
Abdullah Gündogan
Betreuerinnen/Betreuer:
Unterschrift
Hauptbetreuerin/Hauptbetreuer:
August Hörandl (HOR)
Hauptbetreuung Stellvertreterin/Stellvertreter:
Werner Reindorf (RND)
Herbert Fleck (FLK)
Als Diplomarbeit zugelassen
Datum
Datum
……………………………………………...
……………………………………………..
AV Dr. Gerhard Hager / Nikolaus Baumgartinger
LSI DI Judith Wessely-Kirschke
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Executive Summary
The idea of the project “Smart Green House” came from Josef Böhm,
who wanted to have a miniature greenhouse in which he could create the
optimal climate to breed chili plants. The project itself is to use
mechatronic know how to build an automatic system to make Josef’s
wish come true.
The three-man project team is going to implement sensors and
actuators, which are able to measure the actual status of the climate
inside the greenhouse and to change it to the demanded values as well.
The system is controlled by a microcomputer, which will also provide a
web interface for manually configuring the system.
The whole time to finish the project will probably take the team 400
hours. The required costs, which are estimated by about 600 €, will be
covered by Josef Böhm. Moreover, he will be the owner of the system
after its completion.
Objectives
The bullet points below show the five most important objectives of the
project “Smart Green House”:





An automatic temperature control
An automatic ventilation system
An automatic irrigation system
An automatic light control
A web interface for parameterization, intervention and reading the
system configuration
Risks
One of the top risks is the delay which may occur in case of important
deliveries. The countermeasure against this problem is to consider as
early as possible which products are needed and to expand the range of
probable providers.
To prevent data loss the project team works with several storage media,
for example dropbox and hard disk.
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The range of the WLAN-modul is too short. The therefore planned
countermeasure is to install wires.
Milestones (Table of the most important milestones)
Date
11.09.2015
10.12.2015
12.12.2015
10.01.2016
28.01.2016
01.02.2016
25.02.2016
31.03.2016
Milestone
Hand in the diploma thesis application, start of intense planning
Internal presentation
Mechanical task is accomplished
Electronic circuits are developed and integrated
2nd presentation
Software is finished
Hand in the first version.
Hand in the final version.
Budget and Resources
The required hardware consists of a microcomputer raspberry PI, a
miniature greenhouse, sensors and actuators and an electronic circuit.
The software for programming the raspberry PI is freeware.
The total costs of the hardware components will be around € 600.
The whole budget will be covered by Josef Böhm, who had the idea of
the project and will use the system after completion.
400 man hours are expected to be required for the project.
Project budget
€ 590
Costs for school
€0
Total man hours
415 h.
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Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
5
PROJEKTIDEE ................................................................................................... 5
1.1
AUSGANGSSITUATION .............................................................................................. 5
1.2
BESCHREIBUNG DER IDEE ........................................................................................ 5
PROJEKTZIELE ................................................................................................. 6
2.1
HAUPTZIELE ............................................................................................................ 6
2.2
OPTIONALE ZIELE .................................................................................................. 10
2.3
NICHT ZIELE ........................................................................................................ 10
2.4
INDIVIDUELLE AUFGABENSTELLUNGEN DER TEAMMITGLIEDER IM GESAMTPROJEKT .... 11
PROJEKTORGANISATION .............................................................................. 12
3.1
GRAFISCHE DARSTELLUNG (EMPOWERED PROJEKTORGANISATION) ......................... 12
3.2
PROJEKTTEAM ....................................................................................................... 12
PROJEKTUMFELDANALYSE ......................................................................... 13
4.1
GRAFISCHE DARSTELLUNG..................................................................................... 13
4.2
BESCHREIBUNG DER WICHTIGSTEN UMFELDER ........................................................ 14
RISIKOANALYSE ............................................................................................. 14
5.1
BESCHREIBUNG DER WICHTIGSTEN RISIKEN ............................................................ 14
RISIKOPORTFOLIO ............................................................................................................. 15
5.2
RISIKO GEGENMAßNAHMEN .................................................................................... 16
6
MEILENSTEINLISTE ........................................................................................ 16
7
PROJEKTRESSOURCEN ................................................................................ 17
7.1
PROJEKTRESSOURCEN: SOLL – IST VERGLEICH ....................................................... 17
7.2
PERSONELLE RESSOURCEN ................................................................................... 17
7.3
BUDGET ................................................................................................................ 17
8
GEPLANTE EXTERNE KOOPERATIONSPARTNER ...................................... 18
9
GEPLANTE VERWERTUNG DER ERGEBNISSE ........................................... 18
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1 Projektidee
1.1
Ausgangssituation
Die Projektidee lieferte der Vater des Projektleiters, der sich zu Beginn eine
automatische Gewächshaussteuerung für sein privates Glashaus gewünscht hat. Die
Vision dieses Vorhabens entwickelte sich zu einer Steuerung für ein kleineres und
handlicheres Anzuchtbecken, in dem optimale Anzuchtbedingungen für die Pflanzen
bereitgestellt werden sollen. Die Idee wurde gewählt, da das Anzuchtbecken
transportabel und überschaubarer als ein ganzes Glashaus ist.
1.2
Beschreibung der Idee
Ein handelsübliches Frühbeet zur Anzucht diverser Gewächssorten soll durch ein
mechatronisches System so automatisiert werden, dass im Inneren immer die
optimalen Aufzuchtbedingungen für die Pflanzen herrschen. Es ist ein
lichtdurchlässiger Behälter mit ca. 100 x 80 cm Grundfläche und Lüftungsklappen
vorgesehen, in dem das Saatgut gedeihen soll. Da jede Pflanzenart ein anderes
Klima benötigt um heranwachsen zu können, soll es dem Anwender möglich sein,
über ein grafisches Web-Interface die Parameterwerte, die im Anzuchtbecken
herrschen, auszulesen und gewünschte Parameterwerte per Software festzulegen.
Das mechatronische System kümmert sich um die Bereitstellung der gewählten
Umgebungsbedingungen durch Ausmessungen der IST-Werte mittels Sensoren und
die Regelung auf die gewünschten SOLL-Werte (in einem bestimmten
Toleranzbereich) durch Aktoren.
Abbildung 1 Projektskizze (nur schematisch)
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2 Projektziele
2.1
Hauptziele
RE-M 1
Beheizung
Der Aktor des Temperaturregelungssystems ist im Anzuchtbecken eingebaut.
Eine Heizmatte wird beschafft und in einem dafür vorgesehenen Fundament aus
Styrodur eingebettet, womit erreicht wird, dass die produzierte Wärme isoliert und
nur nach oben an die darauf stehenden Jungpflanzen abgegeben wird. Zuerst wird
das Styrodur-Fundament, eine Art Wanne, errichtet. Darauf wird das Frühbeet
gestellt, womit in Kombination eine Art kleines abgeschlossenes Glashaus entsteht,
das durch die Matte nun beheizbar ist. Dieser Aktor wird mit der entsprechenden
Elektronik mit dem Microcomputer verbunden.
RE-M 2
Belüftungssystem
Die Aktoren der Belüftungsregelung sind im Anzuchtbecken eingebaut.
Zur Belüftung sind Ventilatoren in den Wänden des Frühbeets vorgesehen, da die
aufzuzüchtenden Chilikeimlinge Zugluft bevorzugen. Im Zuge dessen müssen
Belüftungsklappen installiert werden, die es ermöglichen, die strömende Luft aus
dem Anzuchtbecken entweichen zu lassen. Die Belüftungsklappen sind bei Stillstand
der Ventilatoren zu schließen und beim Betrieb der Ventilatoren zu öffnen. Die
genaue
Umsetzung
dieses
Belüftungsmechanismus
insbesondere
der
Lüftungsklappen muss erarbeitet werden. Diese Aktoren werden mit der
entsprechenden Elektronik mit dem Microcomputer verbunden.
RE-M 3
Bewässerungssystem
Die Aktoren der Bewässerungsregelung sind im Anzuchtbecken eingebaut.
Zur Bewässerung werden Schläuche im Becken verlegt. Für die Wasserzufuhr muss
überlegt werden, ob eine Pumpe oder ein einfaches Magnetventil, das mit der
Wasserleitung verbunden ist, angesteuert werden soll. Die genaue Auslegung und
Umsetzung des Systems muss noch ausgearbeitet werden. Diese Aktoren werden
mit der entsprechenden Elektronik mit dem Microcomputer verbunden.
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RE-M 4
Beleuchtung
Die Aktoren der Beleuchtungsregelung sind im Anzuchtbecken eingebaut.
Zwei LED-Lampen, die ein bestimmtes Licht, speziell für das Wachstum von
Pflanzen, ausstrahlen, wurden vorselektiert. Diese werden an der Innenseite des
Frühbeets befestigt, sodass deren Licht von oben auf das Saatgut fällt. Dieser Aktor
wird mit der entsprechenden Elektronik mit dem Microcomputer verbunden.
RE-M 5
Temperaturfühler Heizung
Die Temperatur THzg der Heizmatte wird erfasst und von der Software verwertet.
Ein zuvor gewählter Temperatursensor wird beim Einbau der Heizmatte, so wie in
der mit der Matte mitgelieferten Installationsanleitung beschrieben, an der Matte
angebracht. Der Sensor wird hardwaretechnisch mit dem Microcomputer verbunden.
Es werden Subroutinen zur Erfassung und Interpretation des Sensorsignals und des
Regelungsalgorithmus geschrieben.
RE-M 6
Temperaturfühler Luft
Die Temperatur TI im Anzuchtbecken wird erfasst und von der Software verwertet.
Ein zuvor gewählter Temperatursensor wird in einer zentral gelegenen Stelle des
Anzuchtbeckens platziert und durch eine Abdeckung vor Lichteinfall und
Spritzwasser geschützt. Der Sensor erfasst somit die, durch die von unten nach oben
aufsteigende Wärme bewirkte Temperaturänderung im Inneren des Anzuchtbeckens.
Der Sensor wird hardwaretechnisch mit dem Microcomputer verbunden. Es werden
Subroutinen zur Erfassung und Interpretation des Sensorsignals und des
Regelungsalgorithmus geschrieben.
RE-M 7
Feuchtigkeitsmessung der Luft
Die Luftfeuchtigkeit im Anzuchtbecken wird erfasst und von der Software verwertet.
Ein noch in Frage stehender Feuchtigkeitssensor wird an einer zentral gelegenen
Stelle im Anzuchtbecken platziert. Der Sensor wird hardwaretechnisch mit dem
Microcomputer verbunden. Es werden Subroutinen zur Erfassung und Interpretation
des Sensorsignals und des Regelungsalgorithmus geschrieben.
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RE-M 8
Helligkeitsmessung
Die Helligkeit im Anzuchtbecken wird erfasst und von der Software verwertet.
Ein handelsüblicher lichtabhängiger Sensor wird an einer Stelle im Anzuchtbecken
platziert, an der Tageslicht und LED-Beleuchtung auf ihn fallen. Ein Schutz vor
Verschmutzung und Spritzwasser ist vorzusehen.
Der Sensor wird
hardwaretechnisch mit dem Microcomputer verbunden. Es werden Subroutinen zur
Erfassung und Interpretation des Sensorsignals und des Regelungsalgorithmus
geschrieben.
RE-M 9
Grafische Benutzeroberfläche
Das automatisierte Anzuchtbecken verfügt über ein PC-taugliches Interface.
Eine grafische Benutzeroberfläche in Form einer Website muss erstellt werden,.
Dieses dient für das Senden von Daten an den Microcomputer bzw. zum Empfang
von Daten, welcher der Microcomputer registriert und stellt die Funktionalität des
gesamten Programmes in Form einer grafischen Bedienoberfläche dar. Über das
Web-Interface sollen die gemessenen und schon auf den Wert der entsprechenden
physikalischen Größe umgerechneten Sensorwerte ausgelesen werden, die
Festlegung der Soll-Werte in einem noch zu bestimmenden Toleranzbereich zur
Regelung des Systems soll damit möglich sein.
RE-M 10
Sicherstellung der Erreichung des Microcomputers
Der Microcomputer kann sich mit dem lokalen WLAN verbinden.
Auf das Web-Interface des Microcomputers muss im lokalen Netz Zugriff
gewährleistet sein und soll über einen Sicherheitsschlüssel gegen Fremdnutzung
verfügen.
RE-M 11
Regelung
Es wird ein Programm geschrieben, welches periodisch die Sensoren ausliest, den
Regelungsalgorithmus ausführt und die Aktoren betätigt. Dazu werden die
Subroutinen zur von M4 bis M7 aufgerufen.
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RE-M 12
Schaltkasten
Das Anzuchtbecken besitzt einen Schaltkasten für Elektronik und Microcomputer.
Die Elektronik soll in einem kleinen Schaltschrank unter dem Anzuchtbecken Platz
finden. Die Größe des Schranks soll anhand der anfallenden Elektronik abgeschätzt
und des Weiteren vom Auftraggeber bereitgestellt werden.
RE-M 13
Spannungsversorgung
Der Microcomputer, die Sensoren und Aktoren werden mit Spannung versorgt.
Durch individuelle Netzgerät für Microcomputer Sensoren und Aktoren wird die
Spannungsversorgung der gesamten Elektronik gewährleistet.
RE-M 14
Website
Es gibt eine Website, auf der das Projekt und das Team vorgestellt werden.
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2.2
Optionale Ziele
RE-O 1
Feuchtigkeitsmessung im Boden
Die Feuchtigkeit in der Pflanzenerde wird erfasst und von der Software verwertet.
Ein noch in Frage stehender Feuchtigkeitssensor wird an einer bestimmten Stelle im
Nährboden der Keimlinge platziert. Es werden Vorkehrungen getroffen (Elektronik),
damit der Microcomputer das Sensorsignal erfassen und verarbeiten kann.
RE-O 2
Temperaturfühler Luft (außen)
Die Temperatur TA außerhalb des Anzuchtbeckens wird erfasst und von der Software
verwertet.
Ein zuvor gewählter Temperatursensor wird außerhalb des Anzuchtbeckens platziert.
Es werden Vorkehrungen getroffen (Elektronik), damit der Microcomputer das
Sensorsignal erfassen und verarbeiten kann.
RE-O 3
Design des Interfaces
Überarbeitete grafische Oberfläche des Web-Interfaces mit Bootstrap und JQuery.
Dabei soll dieses auch benutzerfreundlicher werden.
RE-O 4
Fehlermeldung
Ausgeben einer Fehlermeldung im Web-Interface bei einem signifikant
unverhältnismäßigen Sensorwert, dessen Dauer über einen noch nicht definierten
Zeitraum besteht, trotz Ansteuerung des korrespondierenden Aktors. Zusätzlich wird
eine Nachricht über SMS, E-Mail oder ein soziales Netzwerk verschickt.
2.3
NICHT Ziele
RE-N 1
Handy-Applikation
Die Programmierung einer Handy-App.
RE-N 2
Werteanzeige
Die auf dem Web-Interface dargestellten IST-Wert der Sensoren werden über den
zeitlichen Verlauf als Kurven dargestellt.
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2.4
Individuelle Aufgabenstellungen der Teammitglieder im Gesamtprojekt
2.4.1 Maximilian Böhm
Mechanik, Elektronik,
Projektmanagement
Der Schwerpunkt liegt bei der Entwicklung des mechanischen und
elektrischen Teils der Temperaturregelung und des Bewässerungssystems, der Anschaffung eines Gehäuses für die Elektronik und dem
Projektmanagement.






RE-M 1 Beheizung
RE-M 3 Bewässerungssystem
RE-M 4 Temperaturfühler Heizung
RE-M 5 Temperaturfühler Luft
RE-M 12 Schaltkasten
RE-O 2 Temperaturfühler Luft (außen)
2.4.2 Abdullah Gündogan
Elektronik, Elektronik
Der Themenschwerpunkt liegt bei der Entwicklung des mechanischen
und elektrischen Teils der Belüftungs- und Beleuchtungsregelung als
auch bei der Spannungsversorgung des Microcomputers.






RE-M 2 Belüftungssystem
RE-M 4 Beleuchtung
RE-M 7 Feuchtigkeitsmessung der Luft
RE-M 8 Helligkeitsmessung
RE-M 13 Spannungsversorgung
RE-O 1 Feuchtigkeitsmessung Boden
2.4.3 Stefan Buchberger
Informationstechnologie
Die zentrale Aufgabe liegt in der Umsetzung der Software, die mit den
mechatronischen In- / Outputs das entwickelte Gesamtsystem
automatisiert, bei der Erstellung eines benutzerfreundlichen WebInterfaces und einer Projektwebsite.








Diplomarbeit Antrag
RE-M 9 Grafische Benutzeroberfläche
RE-M 10 Sicherstellung der Erreichung des Microcomputers
RE-M 11 Programm: Sensorenauswertung
RE-M 14 Website
RE-O 3 Design des Interfaces
RE-O 4 Fehlermeldung
RE-N 1 Handy-Applikation
RE-N2 Werteanzeige
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3 Projektorganisation
3.1
Grafische Darstellung (Empowered Projektorganisation)
Maximilian Böhm
Projektleiter
Josef Böhm
Projektauftraggeber
3.2
Stefan Buchberger
Abdullah Gündogan
PL-Stellvertreter
Projektmitarbeiter
Projektteam
Funktion
Name
Kürzel
E-Mail
PA
Josef Böhm
BJO
[email protected]
PL
Maximilian Böhm
BMX
[email protected]
PTM
Stefan Buchberger
STF
[email protected]
PTM
Abdullah Gündogan
ABD
[email protected]
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4 Projektumfeldanalyse
4.1
Grafische Darstellung
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4.2
Beschreibung der wichtigsten Umfelder
#
Bezeichnung
Beschreibung
Bewertung
1
Meschik
Hilfreiche Unterstützung; hat aber selten Zeit
+/-
2
Werkstätte
Wichtig für die Produktion; Benutzung muss
rechtzeitig gebucht werden
+/-
3
Direktion
Auskunft für etwaige Fragen; nicht immer
erreichbar
+/-
4
Lieferanten
Wegen unterschiedlicher Lieferanten kann die
Wartezeit variieren
+/-
6
Andere Lehrer
Für spezielle Fragen, stehen nicht immer zur
Verfügung
+/-
5 Risikoanalyse
5.1
#
1
Beschreibung der wichtigsten Risiken
Bezeichnung
Beschreibung des Risikos
P
A
RF
Meschik hat keine
Durch das verzögerte Klären
Zeit
wichtiger Fragen geht Zeit verloren
60
30
1800
2
Werkstätte ist
überfüllt
Die „Nichtnutzung“ der Werkstätte
verzögert die Produktion
20
70
1400
3
Direktion hat
keine Zeit
Für die Planung wichtige Fragen
können nicht geklärt werden
10
50
500
4
Lieferungen in
Verzug
Bei Zeitverzug wichtiger Lieferungen
verzögert sich die Produktion
50
80
4000
6
Andere Lehrer
haben keine Zeit
fachliche Fragen an Lehrer können
nicht geklärt werden
10
60
600
7
Datenverlust
Projekt fällt zeitlich nach hinten,
wegen Fehlens von Daten
30
80
2400
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8
Zu wenig
Anschlüsse
Technische Ressourcen reichen
nicht aus, Projekt verzögert sich
20
60
1200
9
WLAN Reichweite
zu kurz
Zu geringe WLAN-Reichweite
gefährdet ein MUSS-Ziel
50
80
4000
Risikoportfolio
Eintrittswahrscheinlichkeit
100
1
9
50
4
7
8
3
0
Diplomarbeit Antrag
50
2
6
100
Schadensausmaß
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5.2
Risiko Gegenmaßnahmen
#
Bezeichnung
Gegenmaßnahme
1
Meschik hat keine
Zeit
Rechtzeitig konkrete Fragen sammeln und stellen; andere
Experten aufsuchen
2
Werkstätte ist
überfüllt
Rechtzeitig überlegen, welche Werkstätten benötigt werden
und Formular termingerecht abgeben
4
Lieferungen in
Verzug
Produkte so früh wie möglich konkretisieren und bestellen;
Spektrum an Lieferanten erweitern
7
Datenverlust
Daten auf mehreren Medien speichern (Dropbox und
Festplatte), regelmäßige Backups durchführen
8
Zu wenig
Anschlüsse
Ein konkretes Blockschaltbild anfertigen mit allen MUSS- und
KANN-Aktoren; benötigte Erweiterungsmodule für den
Microcomputer kaufen
9
WLAN Reichweite
zu kurz
WLAN-Reichweite ausreichend testen; erforderliches Modul
zur Erweiterung des WLANs kaufen; Verlegen eines Kabels
6 Meilensteinliste
Darstellung der Meilensteine mit geschätzten Terminen
Datum
Meilenstein
11.09.2015
Abgabe des Antrags, Beginn des intensiven Planens
10.12.2015
Interne Präsentation
12.12.2015
Vollendung des mechanischen Parts
10.01.2016
Vollendung und Implementierung der Elektronik
28.01.2016
Zwischenpräsentation
01.02.2016
Vollendung der Software
25.02.2016
Abgabe Korrekturexemplar
31.03.2016
Abgabe Bibliotheksexemplar
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7 Projektressourcen
7.1
Projektressourcen: Soll – Ist Vergleich
SOLL Bereich
IST
Risiko (X)
PSP (X)
KNOW HOW im Bereich Raspberry PI
(Microcomputer)
nicht ausreichend
X
X
Projektstandort
ungeklärt
X
X
KNOW HOW bei Feuchtigkeitsmessung
nicht ausreichend
X
X
KNOW HOW bei pneumatischen
Mechanismen
nicht ausreichend
X
X
7.2
Personelle Ressourcen
#
Teammitglied
Personenstunden
1
Maximilian Böhm
160
2
Stefan Buchberger
135
3
Abdullah Gündogan
120
SUMME
7.3
415
Budget
7.3.1 Auflistung der Aufwände für die Durchführung der Diplomarbeit
Pos.
Bezeichnung des Aufwands
1
Anzuchtbecken, Beleuchtung
EUR 200
EUR 200
2
Tisch
EUR 70
EUR 70
3
Heizmatte
EUR 50
EUR 50
4
Ventilatoren
EUR 110
EUR 110
5
Elektronik
EUR 90
EUR 90
6
Pneumatische Komponenten
EUR 70
EUR 70
-
Gesamtkosten
Diplomarbeit Antrag
Kosten
Kumuliert
EUR 590
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7.3.2 Kostendeckung
Die Kosten werden durch den Projektauftraggeber Josef Böhm gedeckt.
8 Geplante externe Kooperationspartner
Ein externer Kooperationspartner ist die Gärtnerei Ableidinger, die besucht wurde,
um Know How einzuholen und zu sehen, welche Probleme auftreten und wie diese
gelöst werden könnten.
9 Geplante Verwertung der Ergebnisse
Letzten Endes soll das Projektergebnis in den Besitz des Auftraggebers DI Josef
Böhm übergehen, da die Idee von ihm stammt und er der Hauptsponsor ist.
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