Zweck des Geräts

Der Getränkewächter kann die Temperatur von Getränken messen und beim Erreichen einer bestimmten Temperatur eine Benachrichtigung über die Blynk App senden. Um diese messen zu können, muss die Tasse auf dem Untersetzer platziert werden. Der IR-Sensor kann dann die Temperatur messen und an den Wemos D1 Mini weiterleiten. Auf der Blynk-Benutzeroberfläche kann die gesendete Temperatur nun angezeigt werden. Falls diese unterhalb der gewünschten Temperatur liegt, wird eine Benachrichtigung abgeschickt.

Voraussetzungen:

Arduino, Micro-USB Kabel, Blynk (legacy)

Übersicht:

1. Blynk vorbereiten
2. Code vorbereiten
3. Inbetriebnahme
4. Nutzungshinweise
5. Video
6. Known Issues

1. Blynk vorbereiten

Wir haben für unser Projekt Blynk (legacy) benutzt. Um die Benutzeroberfläche auf Blynk zu übertragen, kann der QR-Code innerhalb der Blynk App unter “+Add New Device/ Scan QR-code” eingescannt werden.

2. Code vorbereiten

Fügt die Bibliothek “Adafruit MLX90614 Library” in Arduino hinzu und wenn noch nicht vorhanden die Blynk Library.

char ssid[] = "";  //Your SSID
char pass[] = ""; // your Wifi password

Fügt hier den Namen eures WLANs ein und euer WLAN-Passwort

Alternativ, könnt ihr auch den WiFiManager hinzufügen und über einen Accesspoint mit dem Internet verbunden werden.

Der Sketch soll hochgeladen werden, sobald die Tasse mit dem Getränk auf dem Mikroschalter steht. Ab dann läuft die Software.

3. Inbetriebnahme

Zu Beginn wird die gewünschte Tasse auf dem Getränkewächter platziert. Dabei muss ein leises Klicken zu hören sein, welches das Messen startet.

Danach kann die Software in Arduino hochgeladen werden. Nach ein paar Sekunden, werden im Monitor Temperaturen angezeigt. Schließlich wird Blynk aktiviert.

Dort sollte es nun die aktuelle Temperatur anzeigen.

4. Nutzungshinweise

5. Video:

6. Known Issues

Einige Probleme sind uns bekannt, die wir durch mehr Zeit beseitigen könnten. Dazu gehören:

• Temperaturschwankungen bei unterschiedlichen Tassen oder Bechern
• ein mögliches Verfehlen des Schalters beim Platzieren der Tasse
• ein nicht funktionierendes Profil-System in der Blynk-Benutzeroberfläche
• (keine besonders ansprechende Optik)

Blynk

V0: Display für aktuell gemessene Temperatur

V1: Slider für die Einstellung der Temperatur

V3: Display für die eingestellte Temperatur

V4: Auswahlmöglichkeit für Temperaturprofile

V5: Button zum Wählen eines Profils

V6: Button zum Speichern einer Temperatur in einem Profil

Arduino

Vollständiger Code: https://github.com/Lynncholy/Smarter-Getraenkewaechter/tree/main/Quellcode

Um den Infrarotsensor benutzen zu können, müssen wir uns zuerst die “Adafruit MLX90614 Library” herunterladen.

Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();

Diese Zeile erzeugt ein Objekt des Sensors, mit dem wir im weiteren Verlauf arbeiten.

char auth[] = "rF0gN-Zo20v2XaCYwyDCLaqGx6aMTDcx";
char ssid[] = "";  //Your SSID
char pass[] = ""; // your Wifi password

Die Variable auth speichert den Token von Blynk ab. Ansonsten müssen vom Nutzer noch die SSID und das WLAN-Passwort hier eingetragen werden, sodass eine Verbindung zu Blynk hergestellt werden kann.

Methoden, die nicht funktionieren…

int slidervalue = 0;
int teaProfile = 0;
int coffeeProfile = 0;
int otherDrinkProfile = 0;
int chooseProfilePressed = 0;
int saveProfilePressed = 0;
int profile = 0; //1, 2 or 3
int activeProfile = 0;

Hier sind die Variablen initialisiert, die wir für die Getränkprofile benötigen. Der “slidervalue” speichert den Wert vom Slider (V1) ab. In den Variablen teaProfile, coffeeProfile und otherDrinkProfile werden die Temperaturen gespeichert, die der Nutzer durch das Drücken von V6 auslöst. Dabei ist “activeProfile” das jeweilige aktive Profil von den 3 Auswahlmöglichkeiten. Die Variablen chooseProfilePressed und saveProfilePressed können nur die Werte 1 (also Button gedrückt) oder 0 (Button nicht gedrückt) annehmen.

BLYNK_WRITE(V1)
{
  double i = param.asDouble();
  slidervalue = i;
  profile = slidervalue;
  Blynk.virtualWrite(V3, profile);

  Serial.println(i);
}

Diese Methode übernimmt den Wert vom Slider (V1) und zeigt den Wert im Display V3 an.

BLYNK_WRITE(V5)
{
  int i = param.asInt();
  chooseProfilePressed = i;
  if ((chooseProfilePressed == 1) && (teaProfile == profile)) { //if press the choose button, value of teaprofile is displayed
          //profile = teaProfile;
          Blynk.virtualWrite(V3, teaProfile);
        }
}

Diese Methode bestätigt die Wahl eines Profils. Bei der Bestätigung wird der gespeicherte Temperatur-Wert im Display V3 angezeigt. Dies soll nur geschehen, wenn der Nutzer beispielsweise das Tee-Profil ausgewählt hat und den Button V5 drückt.

BLYNK_WRITE(V6)
{
  int i = param.asInt();
  saveProfilePressed = i;
  if ((saveProfilePressed == 1) && (profile == 1)) { //if you press the save button, value of slider is saved to chosen profile
    teaProfile = slidervalue;
  }
  if ((saveProfilePressed == 1) && (profile == 2)) { //if you press the save button, value of slider is saved to chosen profile
    coffeeProfile = slidervalue;
  }
  if ((saveProfilePressed == 1) && (profile == 3)) { //if you press the save button, value of slider is saved to chosen profile
    otherDrinkProfile = slidervalue;
  }
}

Mit dieser Methode kann man die Temperatur aus dem Slider in Profile speichern. Dafür wählt man ein Profil in V4 aus und drückt gleichzeitig den Button V6.

WiFiManager

WiFi.mode(WIFI_STA); // explicitly set mode, esp defaults to STA+AP
  // it is a good practice to make sure your code sets wifi mode how you want it.

  Serial.begin(115200);

  //WiFiManager, Local intialization
  WiFiManager wm;

  // reset settings - wipe stored credentials for testing
  // these are stored by the esp library
  //wm.resetSettings();

  bool res;
  res = wm.autoConnect(); // auto generated AP name from chipid
  // res = wm.autoConnect("AutoConnectAP"); // anonymous ap

  if (!res) {
    Serial.println("Failed to connect");
    // ESP.restart();
  }
  else {
    //if you get here you have connected to the WiFi
    Serial.println("connected...yeey :)");
  }

Das Objekt wm der Klasse WiFiManager wird hier erzeugt. Mit dem WiFiManager kann man sich alternativ über einen Access Point mit Blynk verbinden und müsste so nicht seine SSID und Passwort im Code hinterlegen.

Wichtigsten Methoden

Blynk.begin(auth, ssid, pass, "iot.informatik.uni-oldenburg.de", 8080);

Blynk.virtualWrite(V0, mlx.readObjectTempC()); //displays current temperature on V0 (Blynk)

Hier wird eine Verbindung zu Blynk hergestellt. mlx.readObjectTempC() liefert dabei die aktuelle Temperatur des Sensors und gibt den Wert an das Display V0 in Blynk weiter. So hat man die aktuelle Temperatur des Getränks immer im Überblick.

if (mlx.readObjectTempC() < slidervalue) // Notificate if current temperature is below set temperature
  {
    Blynk.notify("Achtung! Deine Wunschtemperatur wurde jetzt erreicht!");
  }

Nachdem in Blynk der Slider (V1) bewegt wird, zeigt das Display V3 den ausgewählten Wert an. Fällt die aktuelle Temperatur des Getränks nun unterhalb die eingestellte Temperatur, so wird die Benachrichtigung “Achtung! Deine Wunschtemperatur wurde jetzt erreicht!” gesendet, auch wenn die App nicht im Vordergrund läuft.

Die Arbeiten an unserem Projekt sind nun abgeschlossen. Die Hauptfunktionen, also das Anzeigen der momentanen Temperatur und die Benachrichtigung am Handy, können erfolgreich ausgeführt werden, wie wir das am Anfang geplant hatten.

Unsere Reflexion…

Zeitproblem

Wir haben uns bei der Bearbeitungszeit verschätzt. Rückblickend hätten wir früher anfangen sollen, damit wir z. B. die Speicherfunktion für die Profile einrichten können. Zudem hatten wir unerwarteterweise mehr Probleme mit der App Blynk gehabt, sodass das Programmieren mehr Zeit in Anspruch genommen hat, als geplant.

Im Endeffekt mussten wir auch noch viele Änderungen am 3D-Modell machen, da das Drucken selbst mehr als neun Stunden gedauert hat. Uns sind aber erst gegen Ende Fehler aufgefallen, wie z. B. das Loch für den Mikroschalter ist zu klein, ein Loch für den infrarotsensor wurde vergessen. Wir konnten aus zeitlichen Gründen aber kein neues Modell mehr ausdrucken, also mussten wir ein wenig improvisieren und Löcher hinein bohren.

Materialmanagement

Überraschenderweise sind keine Materialien bei der Bearbeitung beschädigt worden. Wir mussten allerdings einige Teile zurückschicken, da uns im Nachhinein erst aufgefallen ist, dass wir die Komponenten aus dem Makerspace mitbenutzen durften.

Kommunikation

Über die ganze Arbeitsphase hinweg waren wir nur zweimal alle anwesend, da meistens eine Person durch Arbeit oder Krankheit verhindert war. Jedoch haben wir uns alle gegenseitig immer auf dem Laufenden gehalten, über z. B. WhatsApp oder Discord, daher ging unser Projekt immer voran.

Die Projektarbeit hat uns viele neue Erkenntnisse über das Arbeiten in Gruppen gegeben. Obwohl, wir “nur” 20 Tage praktisch gearbeitet haben, ist unser Projekt bis auf ein paar Extra-Features vollständig und wir sind zufrieden mit unserem Projekt!

Zu Beginn der Projektphase hat man sich darauf geeinigt, dass der Getränkewächter ein Lichtsignal oder ein akustisches Signal ausführt. Nach erneuter Absprache wurde beschlossen das Signal als Benachrichtigung über die App Blynk zu senden. Der Arduino Nano wurde mit dem Wemos D1 Mini ersetzt, da ein Funkstandard, wie z. B. Wifi benötigt wurde. Somit strichen sich aus unserer Hardware, der Arduino Nano, die LEDs, die Batterien und die Batterieanschlüsse. Zudem hat man sich umentschieden die Temperatur des Getränks von oben zu messen und sollte stattdessen nun von unten gemessen werden. Der Sensor wurde also unter den Glasuntersetzer platziert. Daher wurden die Messingstäbe auch nicht mehr benötigt, da der Mikroschalter oben an die Messingstäbe befestigt werden sollte. Die endgültige Hardware bestand aus einem Infrarot-Thermometer IR-Sensor, dem Wemos D1 Mini, einem Mikroschalter, einem Glasuntersetzer und Holz.

Steckbrett & Schaltplan

Der Mikroschalter wird über den 3V3 Ausgang des Wemos mit dem VIN (Volt Input) Eingang des Infrarot-Sensors verbunden. Die SCL (clock line) wird mit dem D1 Eingang verbunden und die SDA (data line) wird mit D2 verbunden. Dabei transportiert SCL das Taktsignal und SDA überträgt dagegen die Databits.

Holzbox

Die Holzkiste wurde mithilfe von Autodesk Fusion 360 modelliert. Als Vorlage wurde die Datei Kiste_ohne_Trennelement v3.f3d aus den Softskills-Dateien verwendet, die von Ben Wegener zur Verfügung gestellt wurde.

Die Maße der Kiste wurden entsprechend des Mikrocontrollers angepasst und ein Loch wurde zusätzlich in die Decke geschnitten. Es wurde eine kleine rechteckige Öffnung hinten offen gelassen, sodass das Kabel des Mikrocontrollers dort durchgesteckt werden kann. Schließlich wurden die einzelnen Seiten als Skizzen abgespeichert und wurden in Laserbox geöffnet, um die Formen schnittbereit zu machen.

Höhe	Länge	Breite	Durchmesser des Kreises	Rechteck für Kabel	Holzdicke
40 mm	200 mm	150 mm	110.6 mm	10mm x 25mm	3.5 mm

Die 3D-Druck-Modellierung

Bei der Modellierung des 3D-Drucks haben wir uns am folgenden Video orientiert:

Das 3D-Modell für den Smarten Getränkewächter habe ich mithilfe von BlocksCAD erstellt. Bei der Modellierung musste ich die Maße der Komponenten miteinbeziehen, damit diese eine gute Passform haben. Zunächst habe ich einen Zylinderkörper benutzt, der etwas mehr als die Tiefe und Durchmesser des Gummiuntersetzers hat, damit dieser dort hineingesetzt werden kann. Ein Würfelelement in Form des Switches wurde von dem Boden des Zylinders differenziert, damit dieser nicht absteht, sondern im Modell eingebunden ist. Ein Teil des Würfels steht am Boden des Zylinders ab, damit es leichter ist den Switch mit dem Mainboard zu verbinden. Durch einen weiteren Zylinderkörper wurde eine Art Rand am oberen Teil des ersten Zylinders hinzugefügt. Durch diesen Rand kann das 3D-Modell später fest in das Holzgehäuse, welches eine passende Öffnung für das Modell hat, gelegt werden. 

Der smarte Getränkewächter besteht aus folgenden Materialien: ein Infrarot-Thermometer IR-Sensor, der Wemos D1 Mini, ein Mikroschalter, ein Glasuntersetzer und Holz.

Anforderungen, die der smarte Getränkewächter können muss werden im Folgenden erläutert. Das Ziel des Getränkewächters ist es, Personen zu benachrichtigen, wenn ein heißes Getränk abgekühlt ist, bzw. die gewünschte Temperatur erreicht hat. Die Benachrichtigung soll über die App Blynk erfolgen. Es ist fähig, verschiedene Benachrichtigungen bei Erkennung verschiedener Temperaturen zu setzen. 

Anforderungen, die der smarte Getränkewächter können sollte sind, dass er einfach zu bedienen und optisch ansprechend sein sollte. Außerdem sollte das Gehäuse stabil sein, falls die Tasse schwer ist. Es wäre vorteilhaft, wenn der Getränkewächter nicht zu groß ist, weil es sonst zu viel Platz einnehmen würde. 

Anforderungen, die der smarte Getränkewächter könnte, sind, dass falls genügend Zeit besteht, weitere Funktionen zu implementieren, wie das Abspielen eines Signaltons. Dies wäre sinnvoll, da das Produkt somit auch für blinde Menschen nützlich wäre. Zudem haben wir in Betracht gezogen, Benachrichtigungen in Form eines Lichtsignals zu übermitteln, wenn das Getränk die gewünschte Temperatur erreicht. 

Darüber hinaus sind die funktionalen Anforderungen des Getränkewächters, dass er die Temperatur des Getränks ermitteln muss und eine Benachrichtigung bei der gewünschten Temperatur übermitteln und fähig sein muss, Temperaturänderungen sichtbar zu machen. Nichtfunktionale Anforderungen sind hingegen, dass wenn die Batterien leer sind, dass wenn das Getränk zu weit vom Sensor entfernt ist, es Schwierigkeiten beim Erfassen der Temperatur gibt.

Das Projekt “Smarter Getränkewächter” entsteht im Rahmen der Veranstaltung “Soft Skills und Technische Kompetenz” im Sommersemester 2022 an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. In diesem Blog ist die Entwicklung des Projektes dokumentiert.

1.1 Motivation

Eine heiße Tasse Kaffee oder Tee wird zum Abkühlen abgestellt und dann vergessen. In der Folge kühlt das Getränk nach einigen Stunden ab und man ist verärgert darüber, es nicht rechtzeitig getrunken zu haben.

Der Smarte Getränkewächter löst das alltägliche Problem, indem er die Temperatur des Getränks in Echtzeit überwacht und die NutzerInnen über die App Blynk benachrichtigt, falls das Getränk droht abzukühlen.

1.2 Erster Entwurf

Im ersten Entwurf besteht der Smarte Getränkewächter aus einem Buzzer und einem Temperatur-Sensor. Der Getränkewächter soll die Größe einer gewöhnlichen Walnuss besitzen.  Dabei ist der Wächter am Tassenrand befestigt, sodass der Temperatur-Sensor in die Tasse hineinragt und mit dem Getränk in Berührung kommt.

Über ein mobiles Endgerät, wie einem Handy, welches die App Blynk installiert hat, kann die Temperatur des Getränks abgerufen werden, da sich sowohl das Handy als auch der Getränkewächter im selben WiFi-Netz befinden. Über Blynk kann man eine Temperatur einstellen, bei dem der Getränkewächter ein akustisches Signal aussendet, um die Person auf das Getränk aufmerksam zu machen.

1.3 Anpassungen

Das Team hat sich im Internet nach ähnlichen Projekten umgeschaut, um die Umsetzung des Getränkewächters zu planen.

Das Projekt “Arduino Drink Temperature Monitor” von Make Fun Stuff ist eine große Inspiration für dieses Projekt.

Auf die Umsetzung des Getränkewächters in der Größe einer Walnuss wurde verzichtet, da keine Arduino-Bauteile in dieser Größe gefunden wurden. Stattdessen soll der Getränkewächter ein großes Gerät sein in der Form einer Box, wo man eine Tasse darauf abstellen kann.

Die Temperatur soll über einen Infrarot-Sensor gemessen werden statt mit einem Thermometer. Der Sensor soll unterhalb der Tasse platziert sein und von dort aus die Temperatur messen. Um den Sensor und die Arduino-Bauteile unterhalb der Tasse zu schützen, werden eine Kunststoffschale und Tassenuntersetzer auf der Oberseite des Getränkewächters befestigt, sodass die Tasse nicht direkt mit den empfindlichen Teilen des Getränkewächters in Berührung kommt (siehe Abbildung 2 und 3).

Die Benachrichtigung soll nun direkt über eine gängige Push-Benachrichtigung am Handy geschehen, statt über ein akustisches Signal von einem Buzzer, da die Steuerung und Einstellung der Temperatur des Getränkewächters ebenfalls über das Handy geschieht.

3.1 Projektplan

Erste Phase: Vorbereitungsphase (Abbildung 1, erster Abschnitt)

Zweite Phase: Bearbeitungsphase (Abbildung 1, zweiter Abschnitt)

Dritte Phase: Fertigstellungsphase (Abbildung 1, dritter Abschnitt)

3.2 Aufgabenteilung

Aufgabe	Zuständige Person
Planung	Mai Linh
Projektdokumentation	Mai Linh, Ceren
Materialbeschaffung	Ceren
Hardware	Matthew (Lina), Ceren
Software	Stieven, Mai Linh
3D-Druck	Lorenz
Lasercutting/Holzbox	Mai Linh
Präsentation	Lorenz

3.3 Risikomanagement

Was wird gemacht, wenn Materialien fehlen/etwas defekt ist?

Die Person, die für die Materialbeschaffung zuständig ist, bestellt mit Amazon prime die Materialien nach. So können Ersatzteile schnell besorgt werden und es kann sofort weitergearbeitet werden.

Was passiert, wenn jemand verhindert ist/kurzfristig ausfällt?

Andere Gruppenmitglieder würden für diese Zeit kurz einspringen. Es wird ohne die Person weitergearbeitet, aber alle Aktivitäten und Änderungen werden über die WhatsApp- bzw. Discord-Gruppe weitergegeben, sodass die ausfallende Person über den aktuellen Stand des Projekts informiert ist.

Wie wird vorgegangen, wenn die Zeit zu knapp wird?

Der Fokus wird auf die Ziele mit der höchsten Priorität gesetzt. Alle weiteren Arbeiten zielen nun darauf ab die Kernfunktionen des Projekts umzusetzen. Es werden keine neuen Erweiterungen mehr umgesetzt.

Was wird gemacht, wenn die Kommunikation innerhalb der Gruppe nicht funktioniert?

Es wurde eine WhatsApp-Gruppe angelegt zum Austauschen über Textnachrichten, eine Discord-Gruppe für online Besprechungen und es werden regelmäßig Präsenztermine bestimmt, wo alle Gruppenmitglieder zusammenkommen, um an dem Projekt zu arbeiten. So bleiben alle Mitglieder über verschiedene Wege miteinander in Kontakt.

1. Motivation

2. Anforderungskatalog

3. Projektplan; Aufgabenteilung; Risikomangament

4. 3D-Modellierung

5. Beschreibung der Hardware-Entwicklung

6. Beschreibung der Software-Entwicklung

7. Beschreibung der Systemarchitektur und Schnittstellen/Nutzerhandbuch

8. Fazit