Inhalt
Der Inhalt meiner Diplomarbeit bezieht sich auf die Erweiterung einer bestehenden Rasenbewässerungs-Steuerung. Auftraggeber ist mein Vater Andreas Schmid. Die ca. 600m weit entfernte Wasserpumpensteuerung funktioniert autonom und wird nicht manuell ein- oder ausgeschaltet. Die Steuerung funktioniert mit Schwimmer-Schaltern und soll neu mit der LoRa Funktechnologie überwacht werden. Daten und Werte der bestehenden Steuerung werden von A nach B übertragen und dargestellt.
Gründe
Das Erweitern der Steuerung bringt dem Auftraggeber mehr Kontrolle über die Bewässerung. Er kennt zur Zeit der Status der Pumpen nicht. Er merkt nicht, ob die Bewässerung läuft oder nicht. Die Variante des Pumpenherstellers, eine GSM Natel Steuerung, war meinem Vater zu teuer und er will keine monatlichen Providerkosten. Aus diesen Gründen besteht der Bedarf meine Diplomarbeit umzusetzen.
Zielsetzung
Ziel meines Vorgehens ist, eine günstigere Alternative anzubieten. Der Preis muss einmalig sein und es dürfen keine zusätzlichen Gebühren dazukommen. Eine stabile Kommunikation zwischen dem Grundstück meines Auftraggebers und dem Standort der Pumpensteuerung muss hergestellt werden. Die gewünschten Informationen der Steuerung müssen am Empfänger-Knoten visualisiert und dargestellt werden. Im Fehlerfall müssen Sicherheitskomponente angesteuert werden (Blitzleuchte & Signalhupe).
Entscheidungsklarheit
Es ist zu entscheiden, ob eine günstigere Variante möglich ist und wie diese genau umgesetzt werden soll.
Optionen
Die erste Option wäre über die LoRaWAN Technik ein Knoten zu erstellen, über ein LoRa Gateway in den Applikationsserver von The Things Network einzubinden und diese an einem PC mit Internet-Anschluss zu visualisieren. Diese Variante geht stark in das Thema Internet of Things (IoT). Die zweite Option ist eine „Punkt zu Punkt„-Verbindung von zwei LoRa Teilnehmern und diese zu verknüpfen. Hier ist der Kunde nicht auf externe Server angewiesen. Die letzte Option wäre das Angebot des Pumpenhersteller doch anzunehmen und die Überwachung über das Handy-Netz zu realisieren.
Beurteilung
Die LoRaWAN Einbindung ist abhängig von einem LoRa-Gateway. Ich habe mich erkundigt, ein solches wäre am Standort vorhanden und in Reichweite. Falls der Besitzer dies jedoch offline schaltet, ist die Überwachung nicht mehr gewährleistet. Ein eigenes LoRa-Gateway zu erstellen ist möglich, wird jedoch teurer und ist auch komplizierter mit der Signalisation. Bei der zweiten Option, einer „Punkt-zu-Punkt“ Verbindung, liegt die Verantwortung beim Auftraggeber. Er ist nicht abhängig von einem Unternehmen, hat aber auch kein Support, wenn das System nicht funktioniert. Die dritte Option ist die sicherste, aber auch die kostspieligste Variante. Bei Störungen kann der Hersteller aufgeboten werden, der das Problem lösen kann. Dies verursacht wieder Kosten wie ebenfalls die anfallenden Providergebühren.
Empfehlung
Meine Empfehlung ist die zweite Option. Mit einer „Punkt-zu-Punkt“- Verbindung kann das Bedürfnis des Auftraggebers am besten befriedigt werden. Diese Variante kann mit einem Budget unter CHF 500.- realisiert und umgesetzt werden. Eine rasche Behebung bei Verbindungsproblemen ist keine Anforderung. Einen solchen Service-Support von mir kann ich dem Auftraggeber nicht garantieren. Die Pumpenüberwachungssteuerung ist keine Sicherheitsmassnahme, die Mensch und Umwelt vor Gefahr schützen muss. Die LoRa-Funktechnologie ist innovativ und ich denke, sie wird in Zukunft viel öfter eingesetzt. Aus diesen Gründen empfehle ich eine Punkt-zu-Punkt Verbindung mit einem LoRa Sender und Empfänger.
Bilder Diplomarbeit
Aufgabenstellung
Meine Diplomarbeit beinhaltet eine Pumpensteuerungsüberwachung zu entwerfen. Ich möchte eine abgesetzte, bereits bestehende Steuerung mit zwei Pumpen für die Rasenbewässerung meines Vaters überwachen. Der Steuerungskasten befindet sich ca. 600m entfernt von seinem Grundstück. Mein Auftraggeber und Vater Andreas Schmid besprach mit mir die verschiedenen Überwachungsfunktionen, die für ihn sehr nützlich wären. Da er momentan keine Informationen über den aktuellen Status oder Betrieb der Steuerung hat, wäre er sehr froh über eine Pumpensteuerungsüberwachung. Die Bewässerung benötigt er für seinen gepflegten Rollrasen zu bewässern, den er mit einer Maschine aufrollt, palettiert und an Zwischenhändler oder direkt an Kunden verkauft für die Verlegung.
Das Einschalten/Ausschalten der Steuerung ist nicht notwendig, da die Steuerung automatisch mit Schwimmer-Schaltern im Wassertank geschaltet wird. Bei der Aufgabenstellung waren wir uns einig, dass ich einen Prototyp herstelle, den ich bei seinem Grundstück installieren könnte und die diversen Zustände auf einem kleinen Display darstelle. Zusätzlich möchte er eine akustische und optische Signalisation (Horn und Blitzleuchte), die im Fehlerfall angesteuert werden. Die Installation vor Ort des Prototyps gehört nicht zur Diplomarbeit, den Prototyp möchte ich bei der Präsentation der Diplomarbeit vorstellen und vorführen.
Folgende Informationen und Anzeigen werden vom Auftraggeber auf dem HMI gewünscht:
- Pumpe 1 in Betrieb/Gestoppt
- Pumpe 2 in Betrieb/Gestoppt
- Anzeige Pumpendruck
- Temperatur Schaltschrank
- Kommunikationsüberwachung
Persönliche Ziele
- Kenntnisse Funktechnologie LoRa vertiefen
- Kenntnisse HMI (Display) vertiefen
- Kenntnisse Programmierung erweitern
- Zufriedenstellung des Auftraggebers
- Positive Rückmeldung und persönliche Weiterempfehlung vom Auftraggeber
Ziele des Auftraggebers (Muss-Ziele)
- Stabile/Störungsfreie Kommunikation zwischen Sender und Empfänger
- Gewünschte Funktionen/Anzeigen umsetzen
- Akustische und Optische Signalisation im Fehlerfall
- Prototyp kann nach der Präsentation ohne grosse Änderungen in Betrieb genommen werden
- Einmalige Kosten dürfen CHF 500.- nicht übersteigen
- Keine Dauergebühren für Provider
Zielerreichung & Lessons Learned
Die Muss-Ziele des Auftraggebers konnten grösstenteils alle erreicht werden. Ich habe eine stabile Kommunikation zwischen Sender und Empfänger realisiert. Die akustische und optische Signalisation funktioniert und wird im Fehlerfall angesteuert. Die Funktionen und Anzeigen habe ich nach Wunsch umgesetzt bis auf die fehlende Kommazahl im Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswert und dass keine Minus-Temperaturen angezeigt werden können.
Die Kosten für dieses Projekts belaufen sich unter CHF 500.- und Dauergebühren fallen keine an. Für die schlussendliche Installation des Systems, werde ich aufgrund der Skalierung der Druck-Werte der Pumpen mehr Zeit einplanen müssen. Diese Thematik habe ich etwas unterschätzt und somit konnte ich das Ziel „Prototyp kann nach der Präsentation ohne grosse Ände-rungen in Betrieb genommen werden“ nicht vollständig erreichen.
Während meiner Diplomarbeit konnte ich sehr viel bereits Gelerntes einsetzen und anwenden. Ich erarbeitete viel zusätzliches Wissen im Thema Mikrocomputertechnik, speziell im Gebiet Arduino. Ich habe auch Kenntnisse in der LoRa-Funktechnologie erlernen können. Meine wichtigste Erkenntnis ist, dass die Programmierung solcher Komponente sehr anspruchsvoll sein kann. Es kann sehr komplex und als Laie unverständlich werden. Glücklicherweise konnte mein Bruder mir helfen. Er hat etwas Erfahrung mit der Programmiersprache C. Die Grundsätze lernte er bei seiner Ausbildung zum Bachelor of Science in Informatik.
Programmieren muss geübt werden und man muss viel Zeit investieren, die Zeilen auch zu verstehen. Ein Programmcode kann auf viele verschiedene Wege geschrieben werden und auch meistens noch verbessert oder vereinfacht werden.
Ich hatte wenig Erfahrung, eine Arbeit mit solchem Umfang und Grösse zu schreiben. Ich lernte, mich an den Terminplan so gut wie möglich zu halten und Kompromisse mit dem Auftraggeber einzugehen. Ein netter Nebeneffekt war auch die Aufbesserung meiner Englischkenntnisse, die ich erlangte durch das Durchlesen von den meist englischen Foren und Beiträgen.
Für mich war die Diplomarbeit ein spannendes Erlebnis mit vielen Hochs und auch einigen Tiefs. Ich freute mich an vielen kleinen Sachen. Als beispielsweise der erste Verbindungstest scheiterte, aber später doch funktionierte mit den grösseren Antennen, war das eins von vielen Erfolgserlebnissen für mich. Mir machte dieses Projekt Spass und ich bin stolz darauf, etwas Nützliches für jemanden realisiert zu haben.
