100 Ideen - Inspirationen für Fortgeschrittene

Innovations-Tsunami für Deutschland

Im Rahmen verschiedener Veranstaltungen wurden von Schüler- und Studierendengruppen schon zahlreiche spannende und kreative Ideen realisiert. Die insgesamt über 100 prototypischen Anwendungen reichen von der smarten Türklingel (Idee und Bild: IGS Anna Seghers Mainz), über die smarte Pillenbox mit Internetankopplung zur Apotheke und zum Hausarzt, bis hin zum Wecker, der bei Glatteis auf dem Schulweg die Weckzeit automatisch vorverlegt. Unten findet sich eine Auswahl weiterer toller Ideen zur Inspiration:

Design-Thinking Türklingel
IGS Anna Seghers Mainz: Von der Idee ....
Exponat Türklingel
... zum fertigen Prototyp (Fotos: G. Burger)

Auswahl einiger kreativer Ideen aus der Hochschule

Smarte Hochschule: Hörsaal in der Cloud

Ist der Hörsaal gerade belegt?

Gauge SR1

In der Gebäudeautomation und -management spielt das Thema IoT eine große Rolle. Im Rahmen des Forschungsprojekts REGENA haben wir einige Vorlesungsräume am Umwelt-Campus mit einem IoT-Kit (REGENAPilot) ausgestattet. Die Messdaten sind online-verfügbar und zeigen uns z.B. anhand der Luftqualität und der Lautsärke an, ob der Hörsal gerade belegt ist.

 

Nationalparkforschung: Künstliches Ökosystem

Künstliche Welten zur Erforschung des Klimawandels

ECOTRON und Teilnehmer

Im Rahmen der Internationalen Summer School „IT-Fundamentals of National Park Monitoring“ haben Ende August 20 Masterstudierende aus acht verschiedenen Nationen am Umwelt-Campus eine Woche lang spannende Themengebiete rund um den Nationalpark Hunsrück-Hochwald erforscht.

ECOTRON: Umwelt unter Kontrolle

Gemeinsam mit der Universität Hasselt in Belgien haben sich die Teilnehmer dabei die praktische Aufgabe gestellt, die am Center of Excellence in Belgien installierte Großforschungsinfrastruktur ECOTRON in kleinem Maßstab nachzubauen. Zwölf große transparente Kuppeln beherbergen dort jeweils einen Ausschnitt aus einem natürlichen Ökosystem. Regelungstechnik sorgt für eine kontrollierte Umwelt und erhält die Sollwerte per IoT von einer Wetterstation direkt im Nationalpark. Die Idee der ECOTRON-Forschung: Durch gezielte Veränderung z. B. der Temperatur oder des CO2-Gehaltes lassen sich die Auswirkungen des Klimawandels simulieren.   

Design-Thinking: IKEA im Dienste der Forschung

Nach intensivem Design-Thinking und dreitägiger Projektarbeit ist mit der „künstlichen Erde“ des DIY-ECOTRONs ein kleines Ökosystem entstanden, dessen Umweltparameter sich messen und über die IoT-Cloud-Plattform Thingspeak kontrollieren lassen. Kunststoffkisten ersetzen die transparenten Kuppeln, Kühlpacks und Luftentfeuchter beinflussen die Temperatur und Luftfeuchte. Mit der integrierten Temperatur-, Luftdruck-, Feuchte- und Gassensorik bietet das Octopus-System ideale Voraussetzungen für ein Rapid-Prototyping.

Hier runden ein low-cost CO2-, ein Bodenfeuchte- und ein Selbstbau-LDR-Beleuchtungssensor die externe Messtechnik ab. Wie beim großen Vorbild in Belgien wird die Temperatur im geschlossenen Ökosystem über Ventilatoren und Kühlpacks bzw. eine Halogenlampe als Heizung regelungstechnisch auf einem beliebigen Sollwert gehalten. Alle Daten und Sollwerte werden online in der Cloud verwaltet und erlauben, wie beim realen ECOTRON, die Fernsteuerung der künstlichen Welt. Die an einem beliebigen Standort, z. B. im Nationalpark, gemessenen aktuellen mikroklimatischen Bedingungen können somit in Echtzeit an das DIY-ECOTRON übertragen und dort direkt emuliert werden. Ein solches Setup ermöglicht den Studierenden neue Erkenntnisse bei der Untersuchung von Umweltauswirkungen auf das Wachstum von Pflanzen.

Fazit: Digitalisierung ermöglicht kreatives Lernen

Die Teilnehmer und Teilnehmerinnen, in der Mehrzahl übrigens ohne Informatikstudium dafür mit viel biologischem Background, waren sich einig: Einfacher lässt sich IoT nicht lernen und eigene kreative Ideen in funktionierende Prototypen umsetzen.

Das Motto „Einfach machen“ bringt viele Schlüsselerlebnisse zu Projektorganisation, Bill of Materials, Datentypen und Messgenauigkeiten, die keine theoretische Vorlesung so zu leisten vermag.

Smart City: Feinstaubmessung mit LoRaWAN und TTN

Kein Internet - Bau Dein eigenes Netz

Ardublock-Programm zur Kommunikation im TheThingsNetwork
Sensorknoten im TheThingsNetwork. Auch hier gibt es einen IoT-Superblock.

Geh raus - in die Natur oder in die Stadt

Draußen in der Natur, in der Landwirtschaft, oder in den Straßen der Großstadt unterhalten sich vermehrt intelligente Gegenstände miteinander über das Internet. Beispiel sind Abfalleimer im Park, oder Glascontainer, die ihren aktuellen Füllstand an die Müllabfuhr melden, oder Straßenlaternen, die freie Parkplätze beobachten. In der Landwirtschaft sind es Messknoten für die Mikroklimadaten im Weinberg, um den Spritzmitteleinsatz auf das notwendige Maß zu reduzieren. Oder der High-Tech-Bienenstock, der den Imker warnt, wenn es seinen Schützlingen gerade einmal nicht gut geht. Das Internet der Dinge ist auch dort auf eine zuverlässige Internetverbindung angewiesen. Meist geschieht dies über ein WLAN, welches mittlerweile an vielen Orten angeboten wird. Sind wir mobil unterwegs, so übernimmt das UMTS- oder LTE-Netz der Mobilfunkbetreiber die Verbindung des Smartphones zum Internet.

Was tun ohne Netzabdeckung?

Die oben genannten Einsatzgebiete benötigen keine große Bandbreite, übertragen sie doch nur wenige Bytes an Statusinformation (z.B. Temperatur und Luftfeuchte). Die bestehenden Mobilfunknetze verfügen zwar über eine hohe Netzabdeckung, sind aber gerade für diese Anwendungsszenarien nur bedingt geeignet. Jeder Einwahlvorgang ins UMTS – Netz erfordert einen erheblichen Energieeinsatz und verursacht finanzielle Kosten beim Provider. Insgesamt ein Aufwand, der bei hunderten von Iot-fähigen Geräten, z.B. smarten Mausefallen im Getreidespeicher, schnell ins Geld gehen kann. Deshalb denken die Mobilfunkbetreiber schon seit längerem darüber nach, eine weiteres Netz nur für solche Anwendungen flächendeckend zur installieren. Beim sogenannten Narrow-Band – IoT sollen bestehende Mobilfunkmasten durch einfaches Software-Update neue Kommunikationsmethoden erlernen. Bis es bei uns flächendeckend soweit ist, wird aber wohl noch einige Zeit ins Land gehen.

TTN - Mach es doch selbst!

Schneller reagiert da ein Start-up aus den Niederlanden. Die Idee von TheThingNetwork (TTN) ist die Nutzung freier Funkfrequenzen und ein besonderes Funkprotokoll, das LoRaWAN (Long Range Wide Area Network). Der Trick dabei ist, die Daten ganz langsam zu übertragen und damit trotz geringer Sendeleistung eine hohe Reichweite der Funksignale zu erreichen. Hohe Reichweite bedeutet, es bedarf weniger Funkstationen (Gates) zur Abdeckung größerer Gebiete. Die Sendeleistung entspricht dabei etwa der eines herkömmlichen Babyfones.

Ganz nach dem Motto „weniger Reden, einfach machen“, sind die TTN-Netzwerker gerade munter dabei, den großen Mobilfunkbetreibern das Fürchten zu lehren. Jeder, der mitmachen möchte, kann ein eigenes Gate betreiben und damit die Reichweite und Abdeckung dieses ersten IoT-Netz erhöhen. Damit gehört das entstehende Netz praktisch der Allgemeinheit (crowdsourcing), jeder kann es für seine Anwendungen kostenfrei nutzen. Surfen lässt sich damit natürlich nicht, aber Umweltmessdaten wie Feinstaub, Niederschlagsmengen oder die Wasserpegel kleinerer Flüsse, lassen sich so einfach für jedermann zugänglich im Internet übertragen und auswerten (citizen-science). Viele dieser aus der Bevölkerung ehrenamtlich heraus betriebenen Forschungsprojekte, wie das Feinstaubmessnetz in Stuttgart, oder die Hochwasservorhersage in den Niederlanden, nutzen mittlerweile das TTN-Netz ihrer Stadt, um Daten energieeffizient zu erfassen.

Kinderleicht mit der IoT-Werkstatt

Einen kleinen Beitrag zu diesen spannenden Initiativen zu leisten und gleichzeitig die Möglichkeiten und Grenzen des LoRaWAN zu untersuchen ist Motivation der IoT-Werkstatt am Umwelt-Campus, sich mit dem ersten TTN-Gate der Region zu beteiligen. Seit einigen Tagen leuchtet nun auch bei uns das erste Symbol auf der weltweiten Landkarte des TTN-Netzwerkes und bringt die Sensorknoten in der Nähe des Umwelt-Campus zuverlässig ins Internet.

Natürlich sorgt ein IoT-Superblock für die einfache Verbindung des Octopus mit dem TTN-Netz. Ganz ohne komplizierte Programmierung, einfach grafisch zusammenbauen. Das obige Bild zeigt die notwendigen Programmblöcke für einen einfachen Sensorknoten zur Messung von Umweltparametern und Feinstaubbelastung der Luft.

Logistik: Verteilzentrum

Alles ordentlich verstaut?

Design-Thinking gemeinsam mit der SAP SE

Im Bereich der Logistik spielt das Thema IoT eine sehr große Rolle. Von der Registrierung des LKWs am Tor eines Verteilzentrums, über die Zusweisung einer freien Abfertigungsstation, der Bestimmung des Ladegewichtes, bis hin zur Registrierung der Ausfahrt. Überall erlaubt IoT die Überwachung und Dokumentation der Aktivitäten.  Im Lager wird der Bestand per NFC erfasst und fortgeschrieben.

All diese Einzelschritte lassen sich über Maker-Sensorik mit dem Octopus anwendungsnah umsetzen. Ein Video zum Projekt findet sich hier.

Party 4.0: Cocktailmaschine mit Alexa

Bitte gerührt und nicht geschüttelt

Cocktailmaschine mit Programm

Das Thema Industie 4.0 wird unsere Arbeitswelt radikal verändern - soviel ist sicher. Auch das Studium erhält Dank Digitalisierung viele neue Facetten. Aber wie verändert das Thema Digitalisierung die Partys der Zukunft?

Hierzu haben sich Studierende des Maschinenbaus im Rahmen eines interdisziplinären Projektes ihre Gedanken gemacht.

Maschinenbau und Automatisierung

Herausgekommen ist eine automatisierte Cocktailmaschine, die per Schrittmotorensteuerung verschiedene Flaschen anfährt, zapft und so die gewünschten Drinks komponiert. Hierzu dient der Octopus mit Feather-Wing zur Motersteuerung und ein Puzzleteil mit Sollwertvorgabe für die Bewegung. Schrittverlust läßt sich durch entsprechende Auslegung der mechanischen Komponenten verhindern. Befindet sich die Anlage beim Einschalten in einer definierten Ausgangsposition, so ist der Octopus damit auch ohne weitere Sensorik zu jedem Zeitpunkt über die Position des Glases informiert. Alles weitere ist dann die einfache Aneinanderreihung von Steuerbefehlen nach dem Motto: Fahre zur Flasche mit dem Apfelsaft (x-Achse) und zapfe (z-Achse) zwei Teile des Getränks. Anschließend schneide eine Limette in Scheiben und rühre den Inhalt im Glas gut um. Prost!

Weitere Informationen zur Konstruktion finden sich hier.

Nutze die Kraft der Cloud

Nachdem der Herstellungsprozess automatisiert ist, kommt sofort der Wunsch auf, auch die Bestellung per künstlicher Intelligenz von einer Maschine machen zu lassen. Hier kommt unsere IoT-Werkstatt ins Spiel: Angelehnt an das Beispiel aus den Blaupausen lassen sich die Wünsche per Spachsteuerung an Alexa übermitteln und dann durch die Maschine auch umsetzen. Dank Internet der Dinge müssten sich Alexa und Maschine dabei nicht einmal an gleichen Ort befinden. Per Sprachbefehl läßt sich direkt vom Praxissemester in Amerika aus eine Runde für die daheimgebliebenen Freunde auf der UCB-Party ausgeben.

"Alexa trigger Cocktailmaschine Apfelsaftschorle" führt über Amazon-Cloud, IFTTT und MQTT-Broker dazu, dass der Octopus die Schrittmotoren entsprechend ansteuert und so die Herstellung des gewünschten Getränkes möglich macht.

So geht Party der Zukunft. Eine weitere Anwendung (künstliche Nase) beschäftigt sich mit der Frage, ob die künstliche Intelligenz auch das Getränk im Glas erkennen kann. Damit wäre auch "Alexa trigger nocheinmal das Gleiche" möglich.

Machine Learning: Die künstliche Nase

Wir nutzen die Rechenleistung in der Cloud

Poster KI erkennt ihr Getränk

Ein besonderes Highlight der IoT2-Werkstatt ist eine Machine-Learning Anwendung zur elektronischen Nase. Basierend auf dem im Octopus-Board integrierten Bosch BME 680 Umweltsensor demonstriert das BMBF-Forschungsprojekt COSY am Campus das Zusammenspiel von IoT, Deep-Learning und Cloud-Computing.

Apfelsaft, Sprudel oder Wein - was darf es sein?

Der BME 680 ist in der Lage, den Gehalt an organischen Bestandteilen (VoC, volatile organic components) in der Umgebungsluft zu erfassen. Wird der Sensor mit verschiedenen Temperaturen betrieben, so ist die Messung sensitiv für verschiedene organische Komponenten. In unserer verteilten Anwendung bekommt der Octopus sein Temperaturprofil zur Messung per MQTT-Nachricht aus der Cloud, absolviert die Messung und sendet das ermittelte Messprofil zurück in die Cloud. Eine ebenfalls am MQTT-Broker angemeldete Maschine-Learning Software klassifiziert das Messprofil und übermittelt das Ergebnis zur Anzeige wiederum an den Octopus.

So schließt sich der Kreis

Analog zur Alexa, die Sprachnachrichten zur Analyse in die Amazon-Cloud sendet und auf die Antwort reagiert, messen wir die Umweltbedingungen und verlagern die eigentliche Auswertung in unseren Cloud-Dienst am Campus. Mobile Messdatenerfassung vor Ort, Auswertung der Messungen unter Verwendung leistungsfähiger Algorithmen und Rechnenleistung in der Cloud. Damit haben wir im Selbstbau eine erste komplexe KI-Anwendung realisiert.

Allein auf der Basis der Geruchsinformation und einem Trainingsdatensatz kann das System blitzschnell ein Getränk im Glas klassifizieren. Dabei kommen verschiedene Algorithmen wie z.B. künstliche neuronale Netze zum Einsatz. Näheres zum Forschungsprojekt COSY findet sich hier.   

Deine eigene Idee (mit Sensoren, Aktoren)

Einfach selbst machen!

Unser Ziel ist es, mit der Werkstatt eine Plattform zur Verfügung zu stellen, mit der sich eigene Ideen schnell in die Praxis umsetzen lassen. Für fast jedes Anwendungsfeld gibt es heute Sensorik und Aktorik aus der Makerszene. Im Gegensatz zur Profiausrüstung in der Industrie kosten diese oft nur wenige Euros. Vieles läßt sich aber auch schon mit der integrierten Sensorik des Octopus abdecken.

Kein Sensor - gibt es doch gar nicht

Einfach Idee entwickeln und mögliche Interface-Komponenten recherchieren. Gute Startpunkte sind die Hersteller Adafruit, Seeedstudio , Maker-Portale wie Hackster, oder deutsche Maker-Shops wie Exp-Tech, Watterott.

Unsere Blaupause im Downloadbereich listet die über die grafische Programmierplattform unterstützten Interfacekomponenten.

Außerdem existiert eine Liste der verfügbaren Komponenten im Shop von Exp-Tech.

 

Ansonsten heißt es: Fortgeschrittenes Programmieren in Hochsprache C. Aber keine Angst, dazu gibt es ein gutes Lehrbuch und viele Beispiele im Internet.

Lass Dich Inspirieren

Grenzenlose Vielfalt - 38 weitere Ideen

Die obigen Anwendungsfälle decken bei weitem nicht das ganze Spektrum der Möglichkeiten der IoT-Werkstatt ab. Spannende eigene Projekte lassen sich schnell finden und bei einem Hackathon in die Tat umsetzten. Die folgende Aufzählung gibt einen Überblick der beim erste IoT-Hackathon 2016 realisierten Projekte.

Ein intelligentes Bewässerungssystem Smart Health
Parkleitsystem Smart Car (Wetterfrühwarnbox)
Intelligenter Kühlschrank SmartBag
LaundryHero Der Wecker
Smart Steelworker Messung der Garraumtemperatur eines Smokers
Cocktail-Mix Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsregelung im Gewächshaus
Heizungsregler / Oberflächentemperaturfühler Sicherheitssystem – Einbrucherkennung durch Lautstärkesensor
Mobile Feinstaubmessung / Temperatur Logging Oberflächentemperatur
Logistik-Assistent Arduino-gesteuerte Alarmanlage mit Einbrecherabwehr
Smart Home Smart Partyraum
Heimautomatisierungs-Flaschen Automatischer Kleiderschrank
Intelligentes Gewächshaus Gefahrenwarnsystem für Brücken
Project HoDoor - Zugangskontrolle Tür Smart School
LED-Warnsystem für Wanderer / Jogger Artcic Air - dezentrale Straßenüberwachung
Bewegung beim Videospiel The ultimate Button
Monitoring der Luftqualität Intelligenter Serverraum
MSEC - Sicherheit auf deutschen Autobahnen Optimale Umweltfaktoren für Pflanzen
Sicherere Autofahrt – Übermüdungserkennung Sichere Fernbedienung - KFZ-Diebstahlschutz
Dezentrale Energienetze Digitaler Gesundheitsmanager