SmartMix
Industrie 4.0 am Beispiel eines Cocktailmixer
von:
Nils Ostrowski, Yorrick Schwappacher,
Martin Schurig, Christopher Zagala
February 1, 2017
Contents
1 Einleitung
1.1 Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Verwendete Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2 Team
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3 Anleitung
3.1 Bedienungsanleitung . . . . . . . .
3.1.1 Pumps . . . . . . . . . . . .
3.1.2 App/NFC-Tag beschreiben
3.2 Installation . . . . . . . . . . . . .
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4 Projekt im Detail
4.1 Ablauf des Projekts . .
4.1.1 Erste Planung .
4.1.2 Ablauf . . . . . .
4.2 Schwierigkeiten . . . . .
4.3 Datenstruktur NFC-Tag
4.4 Dokumentation PSoC .
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5 Fazit
5.1 Erweiterbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Allgemeines Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6 Weitere Informationen
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1.1
Einleitung
Beschreibung
Bei unserem Projekt SmartMix handelt es sich um einen automatischen Cocktailmischer. Zunächst
wird in unserer Android-App der gewünschte Cocktail ausgewählt. Daraufhin hält man sein Handy
an ein Glas, auf dem ein NFC-Tag klebt. Nachdem der gewünschte Cocktail auf den NFC-Tag
geschrieben wurde, wird das Glas in den Cocktailmischer gestellt und der gewünschte Cocktail
wird in das Glas gefüllt.
1.2
Verwendete Technologie
Figure 2: Schematischer Aufbau
des Cocktailmischers
Figure 1: Cocktailmischer mit
Hardwaredetails
Die obigen Bilder zeigen den physikalischen Aufbau des Cocktailmischers. Figure 1 zeigt den
Aufbau des fertig Projekts inklusive aller Hardwarekomponenten. In Figure 2 ist die schematische
Relation aller Komponenten dargestellt.
Die verwendeten Pumpen (Yosoo DC 12 D4) sind sogenannte Peristaltikpumpen und werden mit
12 Volt Gleichstrom betrieben. Diese wurden gewählt damit die Flüssigkeit den Schlauch, selbst in
der Pumpe, nicht verlässt. Das hat zwei Vorteile: Erstens, nur der Schlauch muss lebensmittelecht
sein, nicht die Pumpe. Zweitens, ist das Reinigen der Anlage einfacher.
Dieses Pumpenmodell weißt jedoch auch Nachteile auf. Das wäre zum einen, dass sie auf Grund
ihres Aufbaus relativ viel Strom verbrauchen (0.5 Ampère pro Pumpe). Zweitens, ist das für
dieses Projekt gewählte Pumpenmodell mit 12 Volt etwas langsam, es genügt jedoch um die Vorgehensweise zu verdeutlichen.
Die verwendeten Motorsteuerungen (L298N) dienen als Verbindung zwischen den 6 Pumpen
und dem Mikrocontroller. Diese versorgen die Pumpen mit dem nötigen Strom. Es können je
zwei Pumpen über eine Motorsteuerung geschaltet werden. Hinweis, während den Projektarbeiten
wurde festgestellt, dass die Motorsteuerungen einen Spannungsabfall von 2 Volt aufweisen. Diese
müssen daher mit 14 Volt betrieben werden, sofern die vollen 12 Volt an den Pumpen anliegen
sollen.
Als Herzstück des Projektes dient ein Mikrocontroller Entwicklungsboard (CY8CKIT-044) der
Firma Cypress. Der auf diesem Board verbaute Mikrocrontroller () stellt die Kommunikation mit
dem NFC-Reader bereit, verarbeitet die vom NFC-Tag ausgelesenen Informationen, steuert die
Pumpen und stellt eine Terminalanwendung über eine virtuelle UART-Schnittstelle bereit. Über
diese können diverse Einstellungen vorgenommen werden.
Der NFC-Reader (NXP-OM5577) ist über eine I2C Schnittstelle mit dem Mikrocontroller verbunden. Dieser ließt die, an Gläsern befindlichen, NFC-Tags aus und schickt die Daten des geschünschten Cocktails zur weiterverarbeitung an den Mikrocontroller.
2
Der Schlauch besteht aus Silikon und stammt von schlauch-profi.de. Er ist lebensmittelecht und
kann Flüssigkeiten bis zu einem 90% Alkoholgehalt langfristig transportieren.
2
Team
Nils Ostrowski Softwareentwicklung PSoC (Interface zu NFC Reader, Terminalanwendung und
Pumpensteuerung), Aufzeichnung und Schnitt YouTube Video
Yorrick Schwappacher Softwareentwicklung Android-App (unter anderem: User Interface,
Kommunikation mit NFC-Tags, Datenstruktur)
Martin Schurig Softwareentwicklung PSoC (Parser und Pumpensteuerung), Holzarbeiten, Aufzeichnung YouTube Video, Dokumentation
Christopher Zagala Softwareentwicklung PSoC (teilweise Pumpensteuerung), Bildaufnahmen,
Dokumentation (Bedienungsanleitung)
Grundlegende Entscheidungen und die allgemeine Vorgehensweise wurden gemeinsam im Team
getroffen. Allgemein sind die Übergänge zwischen den Aufgabengebieten der einzelnen Mitglieder
fließend.
3
3.1
Anleitung
Bedienungsanleitung
An dem Development Board existiert eine USB-Schnittstelle, die eine virtuelle UART-Schnittstelle
am PC bereitstellt, mit der sich eine Konsolenanwendung wie beispielsweise Tera Term verbinden
kann. Die Einstellungen sind: Baud Rate: 115200, Data: 8 Bit, Parität: kein, Stop: 1 Bit. Die
Konsolenanwendung dient dem Setup aller wichtiger Einstellungen der Hardware, wie zum Beispiel
die Geschwindigkeit der Pumpen. Dabei besteht über ein Menü die Auswahl von drei Option NFC,
Pumps und Format F-Ram die mit 1-3 auswählbar sind.
In NFC kann die Datenlänge eines Tags angezeigt werden, was jedoch nur möglich ist wenn ein
Reader angeschlossen und ein Tag erkannt wurde.
3.1.1
Pumps
ID: ID der Pumpe
Flowrate: Geschwindigkeit der Pumpe
LID: ID der Flüssigkeit
Volume: Gesamtmenge der Flüssigkeit
Content: Art der Flüssigkeit
Figure 3: Terminalanwendung Menüpunkt Pumps
Beim Menüpunkt Pumps (Figure 3) können Einstellungen zur Pumpgeschwindigkeit und Gesamtvolumen der verschiedenen Flüssigkeiten festgelegt werden. Manuel Forward dient dem manuellen
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Vorlauf einer ausgewählten Pumpe, welches beim erstmaligen befüllen der Schläuche benötigt
wird. Set FlowRate, Measure FlowRate und Test FlowRate dienen zum einstellen der jeweiligen Pumpgeschwindigkeit.
Mit Set FlowRate kann man die Geschwindigkeit der Pumpen manuell einstellen.
Measure FlowRate dient der Berechnung der Geschwindigkeit (nähre Information Installation 3.2).
Mit Test FlowRate kann die gesetzte Pumpgeschwindigkeit getestet werden.
Edit Liquid verändert den Namen der ausgewählten Flüssigkeit und die zugehörige LiquidID.
Zuletzt steht Set Volume zur Auswahl, hier kann die vorhandene Menge (in Milliliter) einer Flüssigkeit eingetragen werden.
3.1.2
App/NFC-Tag beschreiben
Die App dient der Beschreibung des Tags und ermöglicht sowohl die Auswahl eines Getränks, als
auch das setzen der Setup Daten, wie den Name der Flüssigkeit, ID und Menge.
Figure 4: App, Orderabschnitt
zum bestellen
Figure 5: App, Setupabschnitt
um Systemeinstellungen zu ändern
Order(Figure 4) dient der Bestellung von Getränken. Derzeit sind alle Cocktailrezepte fest programmiert und es können keine eigenen Rezepte erstellt werden. Durch drücken auf eine der
Schaltflächen wird das dazugehörige Rezept ausgewählt und auf einen Tag geschrieben, sofern
einer vorhanden ist.
Setup(Figure 5) hingegen dient nur zum verändern von Systemeinstellungen der Hardware. Auch
hier werden die Daten auf einen Tag geschrieben um vom Cocktailmischer verarbeitet zu werden.
3.2
Installation
Bevor man das Gerät in Betrieb nehmen kann, müssen einige Einstellungen vorgenommen werden. Zuerst muss die Verbindung mit einem PC hergestellt werden, dies geschieht über eine virtuelle
UART-Schnittstelle per USB. Das Port-Setup des Terminals wurde bei den Standardeinstellungen
des Mikrocontrollers belassen (Baudrate: 115200, Data: 8 bit, kein Parity-Bit und ein Stop-Bit).
Ist der Verbindungsaufbau erfolgt, können mithilfe einer Konsolenanwendung (in unserem Fall
Tera Term) die Pumpen kalibriert werden. Jede Pumpe muss zuerst kurz vorlaufen, damit jeder
Schlauch komplett mit der gewünschten Flüssigkeit befüllt ist. Damit soll verhindert werden, dass
der erste Kunde weniger in seinem Glas hat. Was passieren würde, wenn sich im Schlauf Luft
befände. Dies geschieht mit dem Menüpunkt Forward (siehe Figure 3) in der Terminalanwendung.
Der nächste Schritt im Installationsprozess ist es die Flussraten der Pumpen zu bestimmen. Diese
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kann, wenn bekannt, manuell gesetzt (Set Flowrate) oder berechnet (Measure Flowrate) werden.
Bei Measure Flowrate muss die zu messende Pumpe ausgewählte werden. Mit dem Taster SW2
am Entwicklungsboard kann der Pumpprozess gestartet werden. Es wird gemessen, wie lange der
Knopf gedrückt und gehalten wird. Außerdem muss extern die Menge der gepumpten Flüssigkeit
gemessen werden (am Sinnvollsten mit einem Messbecher). Diese Menge, in Millilitern, wird von
der Konsole als Eingabe erwartet. Daraus wird dann die Geschwindigkeit der Pumpe berechnet.
Als letzter Schritt im Installationsprozess muss noch die Menge an Flüssigkeit eingegeben werden
(Set Volume), die an den Pumpen zur Verfügung steht, ebenfalls in Millilitern.
Bei der Android-App ist es im Setup (Figure 5) ebenfalls möglich, die Einstellungen der vorhandenen Flüssigkeiten zu setzen. So fügt der Add-Button neue Flaschen hinzu. Der Füllstand, Name
und die ID können durch Textfelder gesetzt und auch bereits vorhandene Flaschen und ihre Daten
können bearbeitet werden.
4
4.1
4.1.1
Projekt im Detail
Ablauf des Projekts
Erste Planung
Nachdem die Entscheidung getroffen wurde einen Cocktailmischer zu verwirklichen, wurde festgelegt, wie die Grundfunktionen des Mischers aussehen sollten. Diese Funktionen waren zum einen
die Android-App, zum Auswählen des Cocktails, der NFC-Tag auf dem Glas, das Auslesen des
Tags im Cocktailmischer und das Abfüllen des gewünschten Getränks.
Als mögliche Erweiterungen wurde ausgearbeitet: Das automatische Abfüllen von Eis in ein Glas.
Ein Sensor der erkennt ob das Glas überläuft und daraufhin die Pumpen stoppt. Das Einführen
einer Mischreihenfolge, bei der die einzelnen Zutaten des Cocktails hintereinander gepumpt werden
können. Das Messen wie viel Flüssigkeit in den Voratsbehältern noch vorhanden ist. Diverse LEDs
oder Lautsprecher zum Anzeigen verschiedener Vorgänge im Cocktailmischer (z.B. eine LED, die
Rot aufleuchtet, falls eine Flüssigkeit leer ist; ein Signalton, falls das Glas überläuft usw...).
Aus diesen Anforderungen sind die Meilensteine entstanden.
4.1.2
Ablauf
Die erste Aufgabe, die gelöst werden musste, war das Festlegen einer Datenstruktur, die eine
Kommunikation zwischen App und Mikrocontroller ermöglicht (im Detail: 4.3).
Nach der Definition der Schnittstellen konnten die einzelnen Teammitglieder an ihren jeweiligen
Aufgaben arbeiten. Bei den Grundfunktionen gab es keine großen Abweichungen von den gesteckten Zielen nur ein paar Details, die ausgearbeitet werden mussten.
Als die Grundfunktionen erfüllt waren, wurden die möglichen geplanten Erweiterungen, nochmal
auf ihre Machbarkeit bzw. Nutzen geprüft. Daraus resultierte, dass das Abfüllen von Eis weggelassen wurde, da es zu sehr vom Grundaufbau des Cocktailmischers abgewischen wäre. Eine der
größten Veränderungen war es das Systemsetup nicht ausschließlich über den NFC-Tag zu realisieren, sondern eine Terminalanwendung bereit zu stellen. Damit einhergehend wurde das Systemsetup deutlich erweitert (Vorlaufen der Pumpen um den Schlauch zu füllen, Flussrate für jede
Pumpe individuell bestimmen usw...). Bei Tests zum Überlaufsensor wurde festgestellt, dass eine
Metallschicht zwischen Glas und NFC-Reader das auslesen des NFC-Tag verhindert. So wurde der
Überlaufsensor durch Logik in der Software ersetzt. Durch Abbrechen des Pumpvorganges, wenn
das Glas entfernt wird und Löschen des NFC-Tags um ein zweifaches Befüllen und damit einhergehendes Überlaufen des Glases zu verhindern. Die Erweiterung der Pumpensteuerung wurde wie
geplant durchgeführt, nun konnten auch mehrschichtige Cocktails realisiert werden. Die Anzeigen
durch LEDs oder Lautsprecher wurde durch ein Display ersetzt. Diese Erweiterung ist aber, aufgrund von Zeitdruck am Ende des Projektes, nicht fertig realisiert worden. (siehe: zukünftige
Erweiterbarkeit 5.1). Des Weiteren wurde während des Projektzeit viele Tests durchgeführt und
am Ganzen Projekt erkannte Fehler behoben und Verbesserungen vorgenommen.
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4.2
Schwierigkeiten
Während des Projektes sind verschiedene Probleme entstanden. Die meisten waren jedoch nicht
unerwartet, sondern allgemeine Probleme, die in jedem Projekt auftreren können. Diese ließen
sich ohne größeren Aufwand lösen. Die größte Herausforderung war es den NFC-Reader über
den Mikrocrontroller anzusteuern, da nur eine Library für Raspberry Pi vorhanden war. Das
Problem wurde gelöst, indem die Kommunikation zwischen dem NFC-Reader und dem Raspberry
Pi mitgeschrieben und dann für den Mikrocontroller reproduziert wurde. So musste keine komplette
Library für die Kommunikation geschrieben werden, da dies den Rahmen des Projekts gesprengt
hätte.
4.3
Datenstruktur NFC-Tag
Die Datenstruktur auf dem NFC-Tag kann für zwei verschiedene Aufgaben genutzt werden:
Einerseits im normalen Betrieb, um den gewünschten Cocktail zu übergeben oder Andererseits um
Systemeinstellungen vorzunehmen.
Im erstem Fall sieht die Datenstruktur wie folgt aus {o,0:0;15,0:1;10,1:0;5}. Die geschweiften
Klammern zeigen, dass jetzt die gewünschten Daten kommen, alles außerhalb wird ignoriert. Das o
steht für order und zeigt an, dass es sich um eine Bestellung/Cocktail handelt. Danach kommen die
Zutaten, aus denen die Bestellung aufgebaut ist. Jede Zutat hat drei Attribute. Das erste ist eine
Liquid-ID, damit wird angegeben welche Flüssigkeit benötigt wird (z.B.: Liquid-ID = 0 entspricht
Wasser, Liquid-ID = 1 Orangensaft usw.). Die Liquid-IDs sind fest definiert und müssen immer
eindeutig zu einer bestimmten Flüssigkeit zugeordnet werden können. Der nächste Wert beschreibt
die Reihenfolge, in der die einzelnen Zutaten gepumpt werden. Als erstes werden alle Zutaten des
Schritts 0 gleichzeitig gepumpt, anschließend werden alle Zutaten des nächst größeren Schritts
gepumpt, dies wird solange wiederholt bis alle Zutaten abgearbeitet sind. Der letzte Parameter
beschreibt die Menge, die von der jeweiligen Flüssigkeit gepumpt werden soll. Die Angabe erfolgt
in Milliliter.
Soll der NFC-Tag benutzt werden, um ein Systemeinstellungen vorzunehmen, kann die Datenstruktur wie folgt aussehen {s,0:Wasser;1500,1:Orangensaft,700}. Die geschweiften Klammern zeigen erneut an, dass jetzt die gewünschten Daten kommen. Das s steht für setup. Danach
werden die Pumpen konfiguriert, Liquid-ID ist das erste Attribut. Danach folgt welche Flüssigkeit
an dieser Pumpe anliegt z.B. Orangensaft. Als letztes steht die vorhandene Menge der Flüssigkeit
in Milliliter.
Diese Möglichkeit der Systemeinstellungen ist ein Überbleibsel aus der frühen Entwicklungsphase
des Projekts, als ein Setup über ein PC-Terminal noch nicht möglich war. Die Funktion kann
aber immer noch benutzt werden. Damit sind beliebige Personen in der Lage Daten auf einen
NFC-Tag zu schreiben und damit Systemenstellungen zu verändern. Aus diesem Grund sollte die
Setupfunktion per NFC-Tag in späteren Entwicklungen deaktiviert werden. Da findige Benutzer
eventuell in der Lage sind die korrekte Zeichenkette für Systemeinstellungen zu erraten.
4.4
Dokumentation PSoC
Die Funktionsweise der Software auf dem PSoC bei einem erkannten NFC-Tag ist wie folgt: Als
erstes wird der NFC-Tag ausgelesen. Sind die Daten wie bei der in 4.3 beschriebenen Datenstruktur
vorhanden, wird dieser String aus Zeichen an den Paser übergeben. Dieser speichert die Daten
in Arrays aus Structs. Diese werden dann in Gruppen zusammengefasst, dass alle Zutaten, die
gleichzeitig gepumpt werden sollen, zusammenstehen. Wenn es dann zum Pumpen kommt, wird
aus der angegebenen Menge (Milliliter) die entsprechende Zeit berechnet, die zum Pumpen der
benötigt wird. Dafür wird die individuelle Flussrate der jeweiligen Pumpe benutzt. Jetzt werden
die Structs anhand der Pumpdauer, innerhalb einer Gruppe, sortiert. Ein Timer wird auf die
geringste Pumpdauer eingestellt. Alle Pumpen der gewünschten Zutaten einer Gruppe werden
gestartet. Ist die eingestellte Zeit abgelaufen, wird ein Interrupt ausgelöst und die Pumpe mit der
zugehörigen Zeit wird abgeschaltet. Daraufhin wird die Zeit, auf die der Timer eingestellt war,
von der nächsten Pumpdauer abgezogen und der Timer wird auf diese Differenz gesetzt. Dies wird
solange fortgeführt, bis alle Pumpen einer Gruppe abgearbeitet sind. Gleichermaßen wird mit allen
nachfolgenden Gruppen verfahren.
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Beispiel: Es wird angenommen eine Bestellung besteht aus drei Zutaten. Für Zutat1 wurde eine
Pumpdauer von 10s berechnet, für Zutat2 25s und für Zutat3 15s. Diese befinden sich alle in eier
Gruppe. Der erste Schritt ist nun aufsteigend nach Pumpdauer zu sortieren; also Zutat1 (10s),
Zutat2 (15s) und Zutat3 (25s). Die Pumpe mit Zutat1 wird gestartet, ebenso die Pumpen mit den
Zutaten 2 und 3. Der Timer wird auf 10s gesetzt. Sind diese abgelaufen, löst ein Interrupt aus.
Die Pumpe von Zutat1 wird gestoppt. Der Timer wird auf eine neue Zeit gesetzt, diese errechnet
sich aus der Differenz zwischen der Zeit von Zutat1 und Zutat2 (also 15s - 10s = 5s). Nach den 5s
wird die Pumpe mit Zutat2 gestoppt und der Timer wird auf 10s (25s - 15s) gesetzt. Sind diese
auch abgelaufen, wird die letzte Pumpe gestoppt und der Pumpvorgang ist abgeschlossen.
Das Systemsetup kann über eine Terminalanwendung erfolgen, die über eine virtuelle UARTSchnittstelle per USB an den Mikrocontroller angeschlossen ist. Gemachte Einstellungen werden
immer im F-RAM, auf dem Entwicklungsboard, gespeichert. Damit wird sichergestellt, dass auch
nach dem Aus- und wieder Anschalten des Cocktailmischers die Daten nicht verloren gehen und
neu eingegeben werden müssen.
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5.1
Fazit
Erweiterbarkeit
Das Projekt hat soweit alle Grundanforderung an einen Cocktailmischer erfüllt. Trotzdem könnten noch einige Erweiterungen
vorgenommen werden, wenn das Projekt weiter verfolgt werden
würde.
Eine Verbesserungsmöglichkeit ist es die Cocktails über eine zentrale Datenbank zu verwalten.
Außerdem kann man die verwendeten Pumpen gegen leistungsfähigere Modelle austauschen. Das Abfüllen eines 200ml Cocktails
dauert im Moment noch über eine Minute. Mit dieser Maßnahme
ließe sich die Benutzerfreundlichkeit steigern.
Die Software auf dem Controller kann außerdem auf einfache Weise
um weitere Pumpen erweitert werden. Hierdurch könnte eine
größere Auswahl an Cocktails zu ermöglicht werden.
Des Weiteren könnte ein Display an den Cocktailmischer Figure 6: Display mit
angeschlossen werden, das verschiedene Ausgaben zum Betriebssta- Treiber Board und funktiontus ermöglicht. Hierdurch könnte der Benutzer diverse Informatio- ierender i2c Verbindung
nen erhalten, auch wenn kein Computer angeschlossen ist.
5.2
Allgemeines Fazit
Mit dem Wissen, dass nach dem Projekt vorhanden
ist, würden einige Endscheidungen anderes getroffen werden. Ein anderer NFC-Reader (mit vorhandener Arduino
library) würde das Programmieren deutlich erleichtern.
Des Weiteren sind die verwendeten Motorsteuerungen veraltet (Spannungsverlust von 2 Volt). Diese sollten durch
moderner oder selbst gebaute ersetzen werden.
Am Anfang des Projektes wurden verschiedene Ziele
definiert, die während der Projektentwicklung erfüllt werden sollten. Das Team hat es geschafft alle an das Projekt
gestellten Grundfunktionalitäten zu verwirklichen.
Figure 7: Cocktailmischer im Labor
Doch wurde zu Projektbeginn der zur Verfügung stehende Zeitrahmen etwas zu knapp eingeschätzt. Dies hatte zur Folge, dass einige der geplanten
Zusatzfunktionalitäten nicht oder nicht im geplanten Umfang erfüllt werden konnten.
Da das Team großes Interesse an Vollendung des Projekts hat, wird es privat weiterentwickelt und
die Zusatzfunktionalitäten werden so noch nachträglich erfüllt.
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Weitere Informationen
Die vollständige und ausführliche Dokumentation des gesamten Programmcodes der AndroidApp ist zu finden unter: http://smart-mix.de/SmartMixApp_Doxygen.pdf
Die vollständige und ausführliche Dokumentation des gesamten PSoC Programmcodes ist zu
finden unter: http://smart-mix.de/SmartMixPSoC_Doxygen.pdf
Das im PSoC-Creator generierte Datenblatt zum PSoC Projekt ist zu finden unter:
http://smart-mix.de/SmartMixPSoC_PSoC-Creator.pdf
YouTube Video: https://www.youtube.com/watch?v=fxtpmkBaUxM.
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