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Ein SmartHome bietet sich für Experimente mit Mikrocontrollern geradezu an, da hier eine große Anzahl an Sensoren und Aktoren verbaut werden können, die auch "im Großen" Verwendung finden: Bewegungsmelder, Temperatur- und Lichtsensor sowie Türkontaktsensor sammeln kontinuierlich Messwerte, während LEDs, Display, Lautsprecher, Ventilator und Beleuchtung mittels der ausgewerteten Sensordaten darauf aktiv reagieren können. Mittels Bluetooth lassen sich auf dem Smartphone die Sensorwerte anzeigen sowie Aktoren ansteuern. Im Unterricht kann mittels eines entsprechend ausgestatteten SmartHomes und der damit verbundenen vielfältigen Automatisierungsmöglichkeiten ein Blick auf die aktuelle "smarte" Lebenswelt geworfen werden - mit allen damit zusammenhängenden Chancen und Risiken, die ebenfalls diskutiert werden können.
Die Vielzahl der verbauten Sensoren, Aktoren sowie benötigter elektronischer Komponenten erforderte zum einen die Auswahl eines Mikroprozessors mit ausreichenden GPIO-Pins, wodurch die Wahl auf einen Raspberry Pi Pico fiel, der darüber hinaus auch einfach mittels MicroPython programmiert werden kann. Zum anderen war eine sorgfältige Vorplanung notwendig, zumal die Komponenten insgesamt mit drei unterschiedliche Spannungen betrieben werden mussten (9V, 5V, 3,3V):
Zunächst wurden in das SmartHome Aussparungen für das LCD-Display, den Bewegungsmelder, den Ventilator, den Piezo Buzzer, die RGB-LED sowie den ON/OFF-Schalter gesägt bzw. gebohrt. Anschließend wurden Haus und Dach bemalt und mittels eines Scharniers miteinander verbunden. Im Inneren des Hauses wurden anschließend der Reed-Kontakt inkl. Neodym Magnet, der Bewegungsmelder, die RGB-LED, der Piezo Buzzer und die Breadboard-Stromschiene verklebt sowie der ON/OFF-Schalter, das LCD-Display und der Ventilator verschraubt. Auf die Oberseite der Haltestrebe im Inneren des Hauses wurde das Batteriefach geklebt, auf die Unterseite eine zugeschnittene Streifenrasterplatine mit 5 weißen LEDs samt Vorwiderständen:
Von außen ist auf der Türseite nur der Bewegungsmelder sowie die RGB-LED zu sehen, auf der gegenüberliegenden Seite der Ventilator. Auf den langen Seiten des SmartHomes ist lediglich auf einer Seite der ON/OFF-Schalter sichtbar:
Das Dach beherbergt auf der einen Seite das LCD-Display sowie den Piezo Buzzer, während auf der anderen Seite auf einer Plexiglasscheibe die Streifenrasterplatine mit gesockeltem Raspberry Pi Pico Mikrocontroller und LevelShifter, mit Stromregulator, Temperatur- und Lichtsensor sowie die 2-fach Relaisplatine und das Bluetooth-Modul befestigt ist. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden die externen Sensoren und Aktoren per Dupont-Buchsen mit der Streifenrasterplatine verbunden, die eine dazu passende Dupont-Steckerleiste besitzt:
Die Fertigstellung des SmartHomes hat durch die Vielzahl an verbauten Sensoren und Aktoren und vor allem deren Verkabelung eine geraume Zeit in Anspruch genommen. Die auf dem Dach montierte Plexiglasscheibe ermöglicht einen frei zugänglichen Kontakt mit dem Licht- und Temperatursensor, um deren Messwerte zu manipulieren. Darüber hinaus ist so ein Einblick in die Verdrahtung des Mikrocontrollers (Raspberry Pi Pico) möglich.
Das hier ausgeführte Python-Programm zeigt im Display an, ob die Tür geschlossen oder geöffnet ist und den zugehörigen Status (OK, ALARM), gleichzeitig leuchtet die RGB-LED grün. Öffnet man die Tür, ändert sich der Zustand des Reed-Kontakts, die RGB-LED leuchtet rot, das Display ändert seinen Text und der Piezo Buzzer gibt einen Alarm-Sound wieder (Hinweis: Für die Ansteuerung des I2C-LCD-Display werden zusätzlich die Bibliotheken lcd_api.py sowie machine_i2c_lcd.py benötigt).
Ein SmartHome lässt sich insbesondere im schulischen Umfeld sehr gut interdisziplinär konstruieren, nutzen und reflektieren, um so einen Teil der "smarten" Lebenswirklichkeit "im Kleinen" nachzubilden. Die Vielfalt der hier verwendeten Materialien und elektronischen Komponenten erfordert allerdings sowohl für die Konstruktion als auch für die anschließende Programmierung den Zeitrahmen z.B. einer AG oder Projektwoche.
Aber auch im regulären Unterricht eignet sich ein SmartHome generell zur Veranschaulichung von alltäglichen Steuerungs- und Regelungsvorgängen: So könnte im Technikunterricht ein einfaches Hausmodell konstruiert werden, welches mit einem einfacheren Mikrocontroller (z.B. Arduino UNO) und jeweils nur einem Sensor und Aktor versehen und verkabelt wird, während im Informatikunterricht einfache Steuerungen für die verschiedenen SmartHomes programmiert werden.