Mikrocontroller basiertes energieeffizientes Smart Home System

[Übersicht]

Entwickelt wurde ein Smart Home System auf der Basis von Mikrocontrollern unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung. Das System ermöglicht es Geräte von einem PC oder einem Smartphone fernzusteuern. Aktuell können Licht, Steckdosen und eine Kaffeemaschine ferngesteuert werden. Dabei wurde der Komfort eines solchen Systemes, das eine bequeme Verwaltung der Geräte ermöglicht mit dem Potential kombiniert, durch ein zusätzliches System Energie zu sparen.

Demoversion ohne Hardwaresteuerung: Download

[Funktionalität]

• Ein- / Ausschalten von Licht
• Ein- / Ausschalten von Steckdosen
• Kaffeemaschine aktivieren
• Zeitgesteuertes Schalten für jedes Gerät getrennt möglich
• Countdown Timer um Geräte nach x Minuten abzuschalten
• Organisieren der Geräte in Räume
• Kostenanzeige (wird in Echtzeit aktualisiert)
• Verbrauchsanzeige (wird in Echtzeit aktualisiert)
• Übersicht über aktive Verbraucher
• Möglichkeit Favouriten anzulegen
• Design kann von Nutzer angepasst werden
• Steuerung von Android Smartphones
• Steuerung von PC über Java Client möglich
• Einstellungen werden für Nutzer automatisch gespeichert

[Technischer Aufbau]

Das System kann grob in 3 Ebenen untergliedert werden. Auf der untersten Ebene befinden sich die für jeden Anwendungszweck speziell entwickelten Hardwaremodule, die die eigentlichen Schalt- und Steuerungsaufgaben übernehmen.

Die mittlere Eben stellt mit der Assemblerprogrammierung der Mikrocontroller die Vermittlungsschicht zwischen Hardware und Highlevel Ebene dar. Hier findet die Kommunikation mit dem Server statt.

Auf der Highlevel Ebene findet sich schließlich die Softwarelösungen wie Server, Java-Client und Android Application Programmierung.

Die Anwedungen senden die Daten an den Server, der mit einem zentralen Controller kommuniziert. Dieser leitet die Befehle an die angeschlossenen Module weiter. Für die Kommunikation mit den Modulen stehen dem zentralen Controller zur Verfügung:

• Funk: RF 433 MHz
• Lichtwellenleiter (POF)
• serielle Kommunikation
• elektr. Signalweiterleitung (optisch entkoppelt)

Der Android-Client kommuziert über Wlan mit dem Server.

(Testaufbau auf Steckbrett)

[Besonderheiten: Energie sparen]

Bei der Entwicklung wurde besonderen Wert auf das Energiesparen gelegt. Dafür wurden ein entsprechendes Hardwaredesign gewählt, die Schaltung entsprechend dimensioniert und konzeptioniert und die Software mit Funktionen ausgestattet, die es dem Nutzern erleichtern sollen Energie zu sparen.

Hardware:

• Auswahl geeigneter Komponenten für die Schaltungen
• Einsatz besonderer Pico Power Controller
• Nutzung verschiedener Sleep Modi
• Abschalten nicht benötiger Teile des Controllers
• Intervallbasierte Kommunikationstechniken

Software:

• Getrennte Zeitsteuerung für jedes angeschlossene Gerät
• Countdowntimer
• Übersicht aktiver Geräte 
• Kostenanzeige
• Verbrauchsanzeige

Das Sparpotential teilt sich damit auf den Bereich des Systemes selbst und auf das Verhalten des Nutzers auf der anderen Seite auf. 

Der Zentrale Controller:

 Gui: