Projekt-Themen des Projekts TI

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1 Projekt-Themen des Projekts TI Sommersemester 2018 Die Projekte der Vertiefungsrichtung Technische Informatik werden gemeinsam mit einer Teilgruppe des Studiengangs Regenerative Energien durchgeführt. Daher finden sich etliche Projekte, die beide Bereiche abdecken. In den vergangenen Semestern ergaben sich so positive Synergieeffekte. Neben den folgenden Projektvorschlägen können beim ersten Termin auch weitere bzw. andere Themen vorgeschlagen werden. Betreuer: Prof. Jürgen Plate, Prof. Dr. Simon Schramm, Prof. Dr. Wolfgang Rehm

2 PROJEKT 1: Gleichstrom-Ladungszähler Es soll ein Meßgerät entwickelt werden, das in einen DC-Stromkreis eingefügt, oder an einen Shunt angeschlossen werden kann, um die geflossene Ladung zu messen. Der Zähler soll bei Spannungen bis zu 60 V Ströme bis zu 150 A und Ladungsmengen bis zu 100 Ah erfassen können. In Einzelnen sind dazu folgende Aufgaben zu erledigen: Grundsätzliches Konzept: Controller-Typ, welcher Stromsensor, Umschaltung des Meßbereichs, Stromversorgung, Energiebedarf, Anzeige. Gegebenenfalls Implementierung zusätzlicher Funktionen. Arduino oder Raspberry Pi Aufbau eines Mustergeräts (Schaltung, Platine, Implementierung) Messungen mit reinen Gleichströmen und Gleichströmen mit Wechselanteil

3 PROJEKT 2: Einfache USV für Arduino/Raspberry und andere Es ist eine einfache unterbrechungsfreie Stromversorgung für Controllerboards wie Arduino, Raspberry Pi etc. zu entwickeln. Die normale Versorgung erfolgt über ein Netzteil (oder eine andere Energiequelle), das nicht nur die Energie für den Controller liefert, sondern parallel einen Akkumulator lädt. Fällt die Netzversorgung aus, wird auf Akkubetrieb umgeschaltet. Ein Tiefentladeschutz sorgt für rechtzeitige Abschaltung der Akku-Stromversorgung, wenn die Spannung zu niedrig wird. Über eine Vorwarnstufe wird der Controller rechtzeitig über das bevorstehende Abschalten informiert. Per Power-Down -Signal kann der Prozessor seinerseits die Stromversorgung des Akkus abschalten (Ladefunktion bleibt erhalten). Dabei muss das Signal einerseits dynamisch sein (Impulsflanke) und andererseits die Abschaltung einige Sekunden verzögert erfolgen. Arduino Schaltung gemäß obigem Schema Platinenlayout Aufbau und Test eines Musters kurze Testprogramme Hinweis: Weitere Unterlagen unter User: studi, Passwort: LBS

4 PROJEKT 3: Lastindikator Identifikation von Zuständen elektrischer Lasten und unmittelbare Kommunikation dieser Information/Ereignis als zusätzliche Informationsquelle zur Lastidentifikation (Hochschul-Energie-Monitoring): Gerätezustand Aus/Ein/Standby Alternativ: Laststrom Gerät wird mit 230 V versorgt Eindeutige Zuordnung jedes einzelnen Geräts Der Aufbau erfolgt in Form zweier Geräte: Messstelle (Zuleitung der elektrischen Last) mit Funkmodul zur Kommunikation Zentrale Funkmodul-Empfangseinheit mit Protokoll-Funktion (SD-Karte). Aufbau möglichst kostengünstig, mindestens zwei Lastindikatoren und eine Empfangseinheit Arduino (Empfangseinheit ggf. Raspberry Pi) Stromsensor/Spannungssensor (230 V) mit Interface HC-12-Funkmodul (seriell) Messmodul: Messen und Daten senden Empfangsmodul: Daten empfangen, lokal speichern oder über LAN weiterleiten Für beide: Entwurf eines einfachen Datenprotokolls (Datenblock, der neben den Messdaten auch Stationskennung und Fehlersicherung enthält)

5 PROJEKT 4: Raspberry-Pi-Cluster Zu entwickeln ist ein Aufbau, der es erlaubt, komfortabel mehrere Raspberry-Boards als lose gekoppelten Cluster zu betreiben. Dabei geht es vornehmlich um den Hardware-Aufbau, also Stromversorgung, Netzwerkanbindung, Gehäuseaufbau. Der Aufbau soll die Unterbringung von bis zu 10 Raspberry-Boards erlauben und diese mit einer zentralen Energieversorgung verbinden. Der Aufbau beinhaltet auch einen Netzwerk-Switch, der eine zentrale Netzwerkverbindung für die Raspberries bildet. Der Zugang zu den GPIO-Ports sowie zu den Schnittstellen muss möglich sein (Planung der Kabelführung). Oberhalb eines jeden Boards soll genügend Platz für ein Aufsteckboard bleiben. Raspberries, Netzteil und Switch werden in einem Rack aus Acrylglas untergebracht, dessen Maße im Rahmen des Projekts festzulegen sind. Basis bildet das Prinzip der frei konfigurierbaren Mehrfachvitrinen der Fa. Sora (siehe Link). Diese Vitrine wird lokal noch um Schlitze für die Kabelführung erweitert. Als Prototyp wird zunächst ein Modell aus Karton erstellt. Netzteil, Switch, Vitrine, Verkabelung der Systeme, Lüfter, An- und Abschaltung Eines der Raspberry-Systeme erhält eine USB-Festplatte und wird als NFS- Server konfiguriert Bei jedem System sollen beim Start alle notwendigen Konfigurationsdaten (IP- Adresse, Rechnername, NFS-Client, Mailsystem, etc.) aus einer Datei namens localconfig.sh auf der /boot-partition gelesen werden und der Rechner entsprechend konfiguriert werden. Python-Programm zum Herunterfahren der Systeme per GPIO-Port Python-Programm oder Shellscript zum einfachen Konfigurieren der Systeme (Basiseinstellungen, Netzwerkadressen, Raspi-Config, etc.) Hinweis: Weitere Unterlagen unter Mass.html

6 PROJEKT 5: Grundgerüst für MQTT MQTT stand einst für MQ Telemetry Transport und definiert heute einen OASIS- bzw. ISO Standard (ISO/IEC PRF 20922). Dahinter verbirgt sich eine leichtgewichtige Publish/Subscribe-Lösung, bei der Anwender Topics einrichten können, über die Clients (in der Rolle eines Publishers) Nachrichten bereitstellen und andere Clients (in der Rolle eines Subscribers) Nachrichten entnehmen. Ein Topic lässt sich als schwarzes Brett mit eindeutiger Inventarnummer interpretieren, wobei sich alle anmelden müssen, die Informationen auf dem Brett veröffentlichen wollen, ebenso diejenigen, die Nachrichten lesen wollen. Clients können auch beide Rollen besitzen. Um Art und Inhalt der Nachrichten kümmert sich MQTT nicht. Das bleibt den Anwendungen überlassen. Die zentrale Komponente von MQTT ist ein sogenannter MQTT-Broker, der die Topics inklusive der darin enthaltenen Nachrichten verwaltet sowie den Zugriff auf die Topics regelt. Es soll eine grundlegende und erweiterbare MQTT-Infrastruktur entwickelt werden. Die Clients sollen einerseits Sensoren besitzen und deren Daten an den Broker übermitteln und andererseits vom Broker Daten abfragen und visualisieren. Dazu sind ein Broker und einige Beispiel-Clients zu implementieren. Entwurf einer erweiterbaren Namens-Hierarchie. Sicherheits-Betrachtungen. PC MQTT-Broker und Clients, z. B. Mosquito Paho Python Client (pip install paho-mqtt) : Dokumentation der erweiterbaren Namens- Hierarchie. Beschreibung, wie weitere Clients hinzugefügt werden können.

7 PROJEKT 6: Grundgerüst für ein Kiosk-System Sie kennen sicher Computersysteme, die Informationen zu Museums-Exponaten bieten und interaktiv abrufbar machen. Auch wenn Sie am Bankautomaten Geld abheben oder eine Fahrkarte kaufen, inzwischen auch bei der Heimautomatisierung, die Arbeit leistet ein für genau diesen Zweck eingerichteter Computer. Die übliche Bezeichnung solcher öffentlichen Terminals lautet "infoscreen", "Infoboard" oder "Kiosksystem". Durch die Selbstbedienung der Kunden sparen die Betreiber Kosten und reduzieren Wartezeiten. Viele Kiosksysteme verkaufen nichts, sondern informieren nur, z. B. in Museen oder bei Veranstaltungen. Dazu erlauben solche Internetterminals oder Surfstationen nur den Zugriff auf den Browser, das System selbst muss dem Nutzer verborgen bleiben. Es geht also darum, den Raspberry Pi so zu konfigurieren, dass die grafische Oberfläche (GUI) automatisch gestartet wird, der User "pi" (oder ein anderer Standard-User) automatisch angemeldet wird, der Screensaver abgeschaltet wird und ein Programm (Browser oder was auch immer) gestartet wird. Zum Aufbau eines Kiosksystems eignet sich der Raspberry Pi bestens. Er besitzt genügend Rechenleistung, um Webseiten ausreichend schnell darzustellen, und verbraucht kaum Strom. Für so ein Infoboard wird benötigt: Raspberry-Pi mit Netzteil (1,2-2 A) SD-Card: mind. 4 GB, max. 32 GB Monitor mit DVI- oder HDMI-Eingang (DVI über HDMI-DVI-Adapter) und Kabel Gehäuse für den Pi : Dokumentation der Installation und Einrichtung des Systems. Beschreibung, wie weitere Clients hinzugefügt werden können. Eine etwas ältere Beschreibung finden Sie unter:

8 PROJEKT 7: Sonnensimulator-Steuerung Ein vorhandener AAA- Sonnensimulator soll in seiner Funktionalität erweitert werden: 1. Shutter(an)steuerung (digital): "Freischaltung" der Lichtquelle für die Kennlinienmessung 2. Kennlinienmessung (schnelle und genaue Spannungs- und Strommessung): Messbereich 0 10 V, 0 10 A, Messzeit = R*C, z. B. 1 ms 100 ms (optional umschaltbarer Messbereich (0 1 V/0 10 A oder 0 10 V/0 1 A) 3. Optional Vorgabe Bestrahlungsleistungsdichte ( W/m²) über die Lampensteuerung 4. Speicherung und Bereitstellung der Messwerte nach der Kennlinienmessung 5. Nutzerinteraktion/Bedienung: Automatik-Sequenz: Entlade C, Freigabe Shutter, Messung, Sperre Shutter Handbetrieb: Entlade C, Shutter, Messung, 6. Optional Ermittlung und Ausgabe der Kennwerte über Display (Uoc, Isc, Umpp, Impp, Pmpp) mit geeignetem A/D-Wandler (siehe Projekt 1) Siehe Beschreibung oben

9 PROJEKT 8: Analoginterface für Raspberry Pi Es ist eine Interfaceplatine für den Raspberry Pi zu entwickeln, die den Rechner mit einem A/D-Wandler versorgt. Zum Einsatz kommt der Chip AD7490 von Analog Devices, der einen 12-Bit-ADC mit 16 Eingangskanälen besitzt und der über SPI mit dem Controller kommuniziert. Zu programmieren sind Funktionen für die Initialisierung des ICs, für die Kanalwahl und für das Einlesen eines Analogwerts. Aufsteckplatine mit durchgeschleiften GPIO-Pins Programmieren der Eingangsselektion und des Aufnehmens eines Samples (Python) Hinweis: Weitere Unterlagen unter User: studi, Passwort: LBS

10 PROJEKT 9: Software für eine Ladesäule Im Wintersemester 2017/2018 wurde im Projekt eine Ladestation für das Laden eines Elektrofahrzeugs aus Sicherungs- und Schutzelementen, einer Ladesteuerung und einem Energiemesser aufgebaut. Elektrotechnisch ist diese nach allen notwendigen Vorschriften erstellt und einsatzbereit. Die Steuerung und Datenerfassung erfolgt mittels Raspberry Pi, der auch die Nutzerinteraktion über ein 4-zeiliges Display und Nutzerauthentifizierung per RFID bereitstellt. Die Ladesäule ist noch nicht funktional, folgende Aufgaben sind in diesem Projekt zu realisieren: Herstellung der Grundfunktion: das Laden eines E-Mobil, Nutzerinteraktion: Authentisierung per RFID-Karte, Betriebszustandsanzeige Einbindung des Messgeräts in die Ladesteuerung, Auslesen der Messwerte über Modbus TCP und Datensicherung/-visualisierung Visualisierung der Grundfunktionen (z. B. Betriebszustand, angeschlossener Nutzer, Lademenge) über Webserver Ladesteuerung/Ladeleistungsbegrenzung Die Hard- und Software für die Ladesteuerung, Raspberry Pi, RFID und Display funktionierte soweit, aber nicht im Gesamtsystem. Diese ist in diesem Projekt zu integrieren. Hardware für die Ladesteuerung, Raspberry Pi, RFID und Display funktionier Grundversionen bereits vorhanden. Zu Erstellen sind die Gesamtintegration und die o. g. Erweiterungen