100 Ideen - Inspiration für Fortgeschrittene

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.

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.

Die Deutsche Welle hat am 23.11.2018 einen internationalen Filmbeitrag über die Forschungsarbeiten im Nationalpark gesendet.

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.

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.

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.

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. Ein eindrucksvolles Video dazu findet sich hier.

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.