Sensoren-/AktorenKoffer - Do it yourself!

Stellen Sie sich vor, ein Gärtner möchte an mehreren Stellen die Bodenfeuchtigkeit überwachen, um gezielt bewässern zu können. In Schulen oder öffentlichen Gebäuden sollen der CO-Gehalt und die Sauerstoffkonzentration in verschiedenen Räumen kontrolliert werden. Überschreiten die Werte kritische Grenzwerte, soll eine automatische Benachrichtigung an ausgewählte Personen erfolgen oder ein optisches Signal aktiviert werden. Auch Maschinen, Heizungsanlagen oder Klärbecken müssen oft durch Sensoren zuverlässig überwacht werden. Sensoren und Aktoren sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch die Vielfalt an Sensoren, die unterschiedlichen Anschlussmöglichkeiten und die dafür notwendigen Steuerungen machen die praktische Umsetzung häufig kompliziert. Hinzu kommen Anforderungen an die Datenvisualisierung, etwa über Monitore oder andere Anzeigen, die ebenfalls eingerichtet und mit den Sensoren verbunden werden müssen. Genau hier setzt unsere Projektidee an - die Lösung sollte deutlich einfacher, flexibler und für jedermann nutzbar sein.

Wir haben eine Masterplatine entwickelt, die als zentrale Schnittstelle für verschiedene Sensoren und Aktoren dient und direkt mit einem Raspberry Pi kommuniziert. Für die Sensoren und Aktoren, die sogenannten Clients, haben wir zusätzlich eine universelle Platine konzipiert, die eine einheitliche Kommunikation mit der Masterplatine ermöglicht. Besonders hervorzuheben ist dabei die Möglichkeit, bis zu zwölf Sensoren oder Aktoren bequem über Magnetkontakte und POGO-Pins direkt am Mastergehäuse anzudocken. Die angeschlossenen Komponenten werden dabei automatisch erkannt, die Kommunikation wird über ein von uns entwickeltes Protokoll aufgebaut und die Daten energieeffizient per LoRa-Funk an den Raspberry Pi übertragen. Die Sensoren und Aktoren erhalten automatisch Adressen und werden selbstständig initialisiert. Auf dem Raspberry Pi läuft Home Assistant, eine beliebte Open-Source-Plattform zur Haus- und Gebäudeautomation, die wir mit einer selbstprogrammierten LoRa-Integration ausgestattet haben. Damit lassen sich die Messdaten einfach visualisieren und die Steuerung automatisieren. Die Gehäuse für unser System haben wir mit eigenen 3D-Druckern hergestellt, um die Technik kompakt und robust zu verpacken. Für eine unabhängige Energieversorgung haben wir unsere Masterplatine zusätzlich mit einem Akku und Solarpanel ausgestattet. Die Platinen selbst wurden mit dem Programm KiCAD entworfen, von uns gefertigt und eigenhändig verlötet. Die zugehörige Software entwickelten wir mit Python und Arduino. Unsere Lösung überzeugte bereits beim Wettbewerb „Jugend forscht", wo wir den Landessieg in der Kategorie Technik sowie den Regionalsieg im Bereich interdisziplinäre Projekte erringen konnten.

Mit unserer Entwicklung können künftig unterschiedlichste Sensoren und Aktoren unkompliziert angeschlossen, zentral visualisiert und gesteuert werden - ohne tiefere Fachkenntnisse, zu geringen Kosten und in verschiedensten Anwendungsbereichen, sei es privat, in der Industrie oder in öffentlichen Einrichtungen. Einfach genial - genial einfach.